Lietuvis mokslininkas paaiškino, už ką tiksliai skirta 2002 m. Nobelio fizikos premija

EPR paradoksas – tai 1935 metų autorių Alberto Einsteino, Boriso Podolsky ir Nathano Roseno pavardžių pirmosios raidės, kurie moksliniame straipsnyje iškėlė lokalaus realizmo ir kvantinės mechanikos problemą. Mokslininkai mąstydami apie kvantinę mechaniką priėjo išvados, kad pastaroji yra nelokali ir nereali. Pagrindinė mintis, kad jei dvi dalelės sąveikauja tarpusavyje dideliu atstumu – tai sistema yra bendra ir ji nėra lokali arba ji tik teorinis aprašymas, o ne reali. Kitaip tariant, kvantinės mechanikos fizikai kažko dar trūksta ir kadangi ji yra teisinga, tai joje turi slypėti kažkokie paslėpti parametrai, leidžiantys paaiškinti kaip dvi dalėlės tarpusavyje sąveikauja. Bandant suprasti reiškinį, Erwinas Schrödingeris paaiškino kvantinę mechaniką katės pavyzdžiu, kuri yra tuo pat metu gyva ir mirusi – o toks minties eksperimentas vėliau pavadintas Schrödingerio katės paradoksu.

Prabėgus beveik trims dešimtmečiams, 1960 m. Johnas Stewartas Bellas kvantinės mechanikos aprašymą pritaikė dalelių skaičiavimo matematinei schemai. Eksperimento idėja, kad jeigu nežinome kokie yra paslėpti parametrai, tai gal galime žinoti, kokioje fizikinėje sistemoje dalyje jie atsiranda. Idėjos rezultatas buvo daugiau nei keistas – ir pavadintas Bello nelygybe. Bello nelygybė parodo, kad kvantinė mechanika nėra suderinama su lokalaus realizmo aprašymu, t. y. prielaida, kad, pavyzdžiui, dalelės sukiniai, kurie gali būti tik dviejų būsenų, turi vertes prieš tai, kai jie buvo pamatuoti, yra neteisinga. Iš šaltinio lekiančios dvi susijusios dalelės įgyja suderintus sukinius ne šaltinyje, bet kai detektorius pamatuoja vienos kurios nors dalelės vertę, nepriklausomai kokiu atstumu jos viena nuo kitos yra. Šiam neįtikėtinam kvantinės mechanikos aprašymui buvo reikalingas nepriekaištingas fizikinis eksperimentas.

Johnas Clauseris išvystė Bello idėjas iki praktinio eksperimento ir patvirtino Bello nelygybę. Tai reiškia, kad kvantinė mechanika yra pilnai išbaigta teorija ir joje nėra paslėptų parametrų. Dar daugiau, Bello nelygybė gali būti panaudota efektyviai išsiaiškinti ar dvi dalelės šaltinyje yra tinkamai susijusios, kokia yra šaltinio kokybė. Tai šiuo metu naudojama kvantinio kompiuterio kubitų kokybei įvertinti, kvantinio procesorių architektūroms ir kvantiniams algoritmams vystyti.

Kaip EPR paradokse buvo pastebėta, kad jeigu kvantinė mechanika yra teisinga, tai įmanoma, kad viena dalelė bet kokiu atstumu „žino“ kitos dalėlės informaciją. Paprasčiau tariant, jei žinau, kad pas mane dalelės vertė yra 0, tai kitos susijusios dalelės vertė bus 1 – nepaisant to, kad ji yra kažkur kitoje galaktikoje. Šia savybe galima manipuliuoti ir tokiu būdu teleportuoti informaciją. Alainas Aspectas tyrinėjo, kaip dalelės tarpusavyje yra susijusios, ir Antono Zeilingerio grupė sėkmingai pademonstravo kvantinės teleportacijos schemas. Ši grupė sėkmingai atliko eksperimentą kuriant palydovinį kvantinį ryšį bei formuojant jam protokolus. Šios žinios atvėrė ir praplėtė naujas mokslo šakas kaip kvantinė informacija, kurioje detaliai nagrinėjama, kaip kvantinė informacija gali būti panaudota praktiniams tikslams, įskaitant „nenulaužiamą“ informacijos šifravimą ir pačios informacijos perdavimą.

Mokslininkai pagal Bello nelygybės apibrėžimą toliau nagrinėja susijusių dalelių savybes, o jame pilna vis dar iki galo neatrastų reiškinių. Labai keista, kad kvantinė teleportacija neviršija šviesos greičio. Kitas reiškinys – apie informacijos perdavimą triukšmingais ryšio kanalais, kuriame nebėra ryšio galimybės, bet panaudojus susijusias daleles, jis atsiranda.

Dar kitas reiškinys – kvantinis karvelių ir narvelių skaičiavimo paradoksas, kuris teigia, kad galima į 2 dėžutes sudėti visus 3 turimus kamuoliukus taip, kad kiekvienoje dėžutėje būtų griežtai tik po vieną kamuoliuką (o prireikus išimti iš 2 dėžučių visus 3 kamuoliukus). Įdomu tai, kad šiuos reiškinius galima tyrinėti tiek su kvantinių kompiuterių stimuliatoriais, tiek su realiais kvantiniais kompiuteriais – ir jie stebinančiai tiksliai veikia.

Straipsnio autorius yra Vilniaus universiteto Fizikos fakulteto Cheminės fizikos instituto docentas, dėstantis Kvantinę informaciją ir kriptografiją, bei kvantinio kompiuterio pagrindus.