Svjetlost i fenomen kvantnog sprezanja quantum entanglement quantenverschrnkung

Svjetlost i fenomen kvantnog sprezanja (quantum entanglement, quantenverschränkung) Dr. Mario Stipčević Istraživački odjel Fotonika i kvantna optika Centar izvrsnosti za napredne materijale i senzore Institut Ruđer Bošković, Bijenička 54, HR-10000 Zagreb Email: Mario. Stipcevic@irb. hr 1

“Intuitivni” pogled na svijet • Priroda nam je dala senzore – naša osjetila kojima skupljamo informacije iz okoline: mozak ih klasificira prema nekom sustavu (kojeg nazivamo: svjetonazor, filozofija, teorija, . . . ). • No, od malena nas uče potpuno pogrešnom tumačenju osjetilnih podataka, a taj sustav ima i svoje stručno ime: “klasična fizika”. • Kažemo da su sve pojave koje se događaju u skladu s tim sustavom “intuitivne”, a ostale su “kontra intuitivne”. ZAŠTO BAŠ TAJ SUSTAV ? ? ? • Zato jer je taj sustav bitno jednostavniji od stvarnog sustava, čije je stručno ime “kvantna mehanika”, a dostatan je za opis većine pojava u svakodnevnom životu. 2

Klasična fizika Opisuje: • Kretanje materije u prirodi u skladu s 3 Newtonova zakona • Elektromagnetska zračenja i svjetlost putem klasične elektrodinamike (4 Maxwellove vezane diferencijalne jednadžbe) • Toplinske procese – klasična termodinamika (3 zakona). Klasična slika svijeta opisuje tijela mase >0 koja se gibaju i međudjeluju silama koje koreliraju njihova gibanja. Sva su gibanja deterministička, čak i ako su kaotična NEMA SLUČAJNOSTI. 3

No kad bi klasična fizika bila točna: 1. Svako tijelo pri T>0 isijavalo bi beskonačnu energiju (ultraljubičasta katastrofa) 2. Ne bi bilo lasera i laserskih pointera ni laserskih mačeva! 3. Ne bi postojale LE diode 4. Ne bi bio moguć atom (konzekventnio ni Čovjek) 5. Ne bi postojao Svemir kakvog znamo . 4

Pogrešna “klasična” intuicija Primjer 1. “Dva tijela ne mogu okupirati isto mjesto u isto vrijeme. ” Točno za fermione (čestice spina n+½), ali netočno za bozone (čestice spina n=0, 1, 2, 3. . . ) npr. FOTONE kojih stane Primjer 2. “Jedno tijelo ne može istovremeno biti na dva mjesta. ” To je možda istina za jedno tijelo, ali nije za “dvotijelo”: objekt koji ne postoji u našem intuitivnom sistemu, ali itekako postoji i u prirodi i u kvantnoj teoriji. Jedan takav objekt upoznat ćemo danas. 5

Priroda svjetla Dualna priroda svjetlosti: val i čestica – kako u kojem eksperimentu Val: ogib, interferencija Čestica: fotoelektrični efekt Huygens, Young Newton Einstein sintetizirao: i val i čestica istovremeno, tj. nijedno od toga 6

Polarizacija svjetla Ravni val: Električno polje titra okomito na smjer gibanja Intenzitet svjetla označimo s Na polarizatoru: dio prolazi: , a ostatak se odbija. FOTON = Najmanji dio svjetlosne energije, ne može se dijeliti. Zbog toga foton (čestica) prolazi s VJEROJATNOŠĆU , dakle SLUČAJNO! Svjetlo koje prođe polarizirano je u smjeru osi polarizatora Energija fotona . 7

Kvantno sprezanje fotona Efikasan način jest cijepanje visokoenergetskog fotona u dva fotona niže energije u nelinearnom optičkom kristalu (energija mora biti sačuvana). Dvofotonsko sprezanje Na presjeku konusa dobivamo kvantno spregnute parove fotona. 8

EPR eksperiment 1. U točki X generira se dvofotonsko stanje koje se širi prema A. i B. 2. Ana i Budimir detektiraju foton iza privatnih polarizatora koje orijentiraju kako žele, no kad god je oni mjere istu polarizaciju bez obzira na smjer polarizatora: ili oba fotona prolaze ili se odbijaju. Klasično: dva fotona iste polarizacije pošaljemo A. i B. Gornji rezultat dobije se samo kada je kut u smjeru polarizacije, inače mjerenja mogu rezultirati različitim ishodima: A prolaz B odbijanje ili A odbijanje B prolaz. 9

Što to znači? Ne postoji nikakav klasični scenarij kojim bi se mogla reproducirati mjerenja osim da pretpostavimo da fotoni nekako komuniciraju Međutim: 1. Nema sile putem koje bi komunicirali 2. Komunikacija je brža od brzine svjetla PRL 49(1982)1804– 7 3. U kvantnom formalizmu vrijeme i prostor ne ulaze u račun! Kvantno tumačenje je putem teorije informacije: 1. U sustav smo upisali samo 1 bit informacije, pa mjerenje može rezultirati samo dvjema kombinacijama (oba se fotona odbijaju, oba fotona prolaze) 2. Zakon o sačuvanju kvantne informacije Nature 299(1982)802 -3 10

Zaključak ? Einstein: kvantno sprezanje je “jezovito djelovanjem na daljinu”. 1. Da li je pogrešno kvantnu mehaniku tumačiti mehaničkim gibanjima? 2. Da li je u osnovi kvantna fizika teorija kvantne informacije? 3. Da li bi se eksperimenti kvantne fizike mogli intuitivno shvatiti paradigmatskom promjenom načina razmišljanja o stvarnosti? 11