Kwantowa gra Johna Bella

John Stuart Bell był tylko o rok starszy od Petera Higgsa. Zajmowali się różnymi dziedzinami fizyki. W roku 1964 obaj ogłosili prace, które mogły przynieść im Nagrodę Nobla, choć zapewne żaden z nich z początku w to nie wierzył. Higgs doczekał się odkrycia „swojego” bozonu w Zderzaczu Hadronów w CERN-ie w roku 2015. Eksperymentalne potwierdzenia pracy Bella zaczęły się pojawiać od początku lat siedemdziesiątych XX w., lecz dopiero kilka lat temu zamknięto wszelkie luki aparaturowe, które mogłyby prowadzić do innego wyjaśnienia wyników, niż przewiduje mechanika kwantowa. Bell nie doczekał się Nagrody Nobla, zmarł niespodziewanie w roku 1990. Wiadomo, że wysuwano jego kandydaturę do szwedzkiej nagrody w owym roku. Gdyby żył, zapewne by ją wtedy albo później otrzymał.

Osiągnięcia Bella przyjmowane były z oporami, ponieważ dotyczyły podstaw mechaniki kwantowej, a więc dziedziny, która mimo rozmaitych zastrzeżeń filozoficznych świetnie funkcjonuje w praktyce. Po wczesnych dyskusjach z lat dwudziestych i trzydziestych, gdy swoje zastrzeżenia wysuwali uczeni tacy jak Albert Einstein i Erwin Schrödinger, zwyciężyła postawa praktyczna: wyniki eksperymentów zgadzały się z obliczeniami, nie warto więc dzielić włosa na czworo. Bell należał pod tym względem do dysydentów, podstawy mechaniki kwantowej nie dawały mu spokoju. Pracując w CERN-ie na codzień  zajmował się fizyką cząstek i budową akceleratorów, sam mówił żartobliwie o sobie, że jest inżynierem kwantowym, ale przy niedzieli miewa także zasady. I właśnie te jego uboczne prace okazały się najważniejsze. (Jest tu pewne podobieństwo z Peterem Higgsem, który zajmował się w latach sześćdziesiątych kwantową teorią pola – dziedziną wówczas niemodną i spisaną, zdawało się, na straty, królowało bowiem podejście oparte na własnościach macierzy S.)

Bell znalazł sposób, by wyrazić ilościowo różnicę między przewidywaniami mechaniki kwantowej i tzw. lokalnym realizmem, czyli w praktyce jakąś wersją klasycznego zdrowego rozsądku. Chodzi o pewne korelacje między wynikami pomiarów, które kłócą się z naiwnym rozumieniem pojęcia cząstki kwantowej jako bytu w zasadzie punktowego. Cząstki kwantowe mogą bowiem występować w stanach splątanych ze sobą pomimo przestrzennego oddalenia. Zjawisko splątania jest podstawą idei komputera kwantowego. Gdybyśmy potrafili kontrolować i utrzymywać dostatecznie długo takie stany splątane, można by rozwiązywać zagadnienia niedostępne klasycznym komputerom. Przykładem jest tzw. algorytm Shora, który pozwalałby komputerowi kwantowemu szybko znajdować podzielniki wielkich liczb, co jest zagadnieniem praktycznie niewykonalnym dla klasycznych komputerów i fakt ten wykorzystywany jest w szyfrowaniu danych. Komputer kwantowy odpowiednich rozmiarów mógłby w zasadzie złamać te wykorzystywane powszechnie kody (lecz zarazem technologie kwantowe mogą służyć do przesyłania danych  w taki sposób, że niemożliwe jest ich podglądanie przez niepowołanych). Są i inne problemy, w których komputery kwantowe potrafiłby zdziałać znacznie więcej niż klasyczne, toteż nic dziwnego, że dziedzina ta jest w ostatnich latach finansowana na świecie jak bodaj żadne inne badania z fizyki.

Poniżej opiszemy pewną dziwaczną grę, grę Bella, w której wszelkie strategie klasyczne są mniej wydajne niż strategia wykorzystująca kwantowomechaniczne stany splątane. Jest to więc przykład czegoś, co dzięki mechanice kwantowej można robić lepiej, niż to jest możliwe w świecie klasycznym. Sama gra jest dość sztuczna, jednak owa kwantowa nadwyżka efektywności jest czymś realnie istniejącym i obserwowanym w eksperymentach. Mówimy o pewnym zachowaniu przyrody, które przed pracami Bella nikomu nie przyszło do głowy. (Dokładnie biorąc, nasza gra oparta jest na tzw. nierówności CHSH – od nazwisk: Johna Clausera, Michaela Horne’a, Abnera Shimony’ego i Richarda Holta.)

Najpierw parę słów o stanach kwantowych na przykładzie polaryzacji fotonu. Światło, czyli klasycznie rzecz biorąc fala elektromagnetyczna może być spolaryzowana liniowo – znaczy to tyle, że drgania pola elektrycznego zachodzą w pewnej ustalonej płaszczyźnie (prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali, mówimy, że fale elektromagnetyczne są poprzeczne). Istnieją urządzenia, zwane polaryzatorami, które przepuszczają jedynie składową pola wzdłuż pewnej osi. Jeśli wchodząca fala jest spolaryzowana pod kątem do osi polaryzatora, to z fali o amplitudzie zostaje przepuszczona tylko składowa .

Ponieważ natężenie fali (energia przez nią przenoszona) jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy, więc natężenie światła przepuszczonego przez polaryzator jest mniejsze od natężenia światła wchodzącego do polaryzatora:

Jest to znane z fizyki klasycznej prawo Malusa (od francuskiego badacza z początku XIX wieku). Jak wygląda kwantowy opis takiej sytuacji? Mamy teraz osobne cząstki, fotony. Foton może przejść przez polaryzator w całości albo wcale. W naszym przypadku, oznaczając stan fotonu przed polaryzatorem , a stany z polaryzacją pionową i poziomą odpowiednio oraz , możemy to zapisać następująco:

Foton jest stanie zawierającym w części stan o polaryzacji pionowej oraz w części stan o polaryzacji poziomej. Przejście przez polaryzator należy z punktu widzenia mechaniki kwantowej traktować jako pomiar. Polaryzator zadaje pytanie: czy twoja polaryzacja jest pionowa? Prawdopodobieństwo odpowiedzi TAK=1 równe jest , a prawdopodobieństwo odpowiedzi NIE=0 równe jest . Teoria nie daje nam wskazówek, jak zachowa się pewien konkretny foton: wiadomo, że obserwując fotony za polaryzatorem, otrzymamy chaotyczny ciąg bitów: zer i jedynek, przy czym częstość występowania jedynek będzie równa . W ten sposób odtwarza się klasyczne prawo Malusa.

Stany układu są wektorami w pewnej abstrakcyjnej przestrzeni, w przypadku polaryzacji przestrzeń ta jest dwuwymiarowa i każdy wektor można zapisać jako kombinację wektorów oraz . Kwadraty współczynników w tym rozwinięciu mają sens prawdopodobieństw. Pomiar powoduje redukcję stanu: nie wiemy z góry, czy foton pojawi się za polaryzatorem, ale jeśli się w ogóle pojawi, to jego polaryzacja będzie . Oczywiście polaryzacja nie opisuje wszystkiego, co można wiedzieć o fotonie, ale my będziemy się interesowali jedynie stanami polaryzacyjnymi.

Jak opisuje się parę cząstek, np. dwa fotony? Możemy podać po prostu stany obu fotonów, pojawią się wtedy cztery stany bazowe: . Wyobraźmy sobie np. układ dwóch fotonów w stanie . Jeśli pierwszy z tych fotonów przepuścimy przez polaryzator przepuszczający polaryzację pionową, to tak samo jak poprzednio nastąpi redukcja stanu , druga część natomiast się nie zmieni, bo przecież nic z tym drugim fotonem nie robiliśmy, w rezultacie otrzymamy stan z prawdopodobieństwem . Nowa przestrzeń stanów jest rozpięta przez cztery wektory bazowe i dowolna ich kombinacja jest dopuszczalnym stanem fizycznym. Np. stan

Ten stan nie daje się zapisać jako iloczyn dwóch czynników odpowiadających poszczególnym fotonom. Jest to właśnie stan splątany. Jeśli pierwszy foton przepuścimy przez polaryzator przepuszczający pionową polaryzację, to z prawdopodobieństwem pierwszy foton przejdzie w stan , drugi nie ma wyjścia i też okaże się stanem . Co to oznacza? Stan drugiego fotonu znany jest bez mierzenia, po prostu dlatego że był splątany z pierwszym. Oba fotony mogą znajdować się dowolnie daleko od siebie. Z chwilą gdy dokonamy pomiaru polaryzacji pierwszego fotonu, znamy też polaryzację drugiego (jest taka sama). Oba fotony tworzą pewną skorelowaną z sobą całość. Co więcej, nasz stan jest w istocie niezależny od kierunku. Jeśli za nowe wektory bazowe weźmiemy wyżej zapisany stan i stan prostopadłej do niego polaryzacji

to okazuje się, że stan splątany możemy zapisać w postaci

Oznacza to, że gdy wykonamy pomiar polaryzacji pierwszego fotonu za pomocą dowolnie zorientowanego polaryzatora i ów foton przejdzie przez polaryzator (z prawdopodobieństwem ), to wiemy na pewno, że drugi ma dokładnie taką samą polaryzację, choćby znajdował się już w galaktyce Andromedy. Zachodzą więc związki między cząstkami, które mogą być daleko od siebie. To z tej okazji Einstein mówił o niesamowitym oddziaływaniu na odległość (spukhafte Fernwirkung). Jednak nie chodzi tu o żadne oddziaływania, lecz o pewne korelacje. Nie można za pomocą splątania przekazywać informacji, niemniej zachodzą korelacje, które można próbować wykorzystać, czym zajmuje się cała dziedzina komputerów kwantowych.

Przejdźmy wreszcie do gry Bella. Mamy dwa identyczne urządzenia obsługiwane przez parę uczonych Alicję i Bartka. Każde z nich składa się z dźwigni przełączanej między dwoma stanami (Alicja), (Bartek). Wynikiem działalności każdego z nich jest także jeden bit informacji: (Alicja), (Bartek). Nasi obserwatorzy znajdują się daleko od siebie i nie mogą na siebie wpływać. Ich zadaniem jest uzyskanie jak największej liczby punktów w kooperatywnej grze. Zdobywają punkt, jeśli uda im się spełnić równanie

Dodawanie modulo 2 różni się od zwykłego tylko w jednym przypadku: . Gra jest statystyczna, każde z nich generuje w sposób przypadkowy (albo ), po czym za pomocą dowolnej procedury opartej na znajomości tego bitu oraz reguł gry generuje bit (albo ). Na końcu ich serie wyników są porównywane i oblicza się liczbę zdobytych punktów.

Jeśli bity będą generowane przypadkowo, prawdopodobieństwo wygranej będzie równe . Proste strategie deterministyczne albo i nie prowadzą do prawdopodobieństwa wygranej . Jest to nierówność Bella dla tej sytuacji:

Istnieje oparta na mechanice kwantowej strategia zapewniająca większe prawdopodobieństwo wygranej i naruszająca nierówność Bella. Należy zaopatrzyć naszych graczy w każdej turze w parę fotonów w stanie splątanym . Dalej powinni postąpić następująco: oboje zależnie od wartości swojego bitu powinni wybrać odpowiedni kąt ustawienia polaryzatora: (Alicja) oraz (Bartek). Dla wybranego kierunku dokonują oni pomiaru na stanie splątanym i w ten sposób ustalają wartość swojego bitu albo . Okazuje się, że taka strategia daje prawdopodobieństwo wygranej

Dla wartości , , otrzymujemy

Przed pracami Johna Bella nikt nawet nie przypuszczał, że można badać takie korelacje kwantowe ani że może to być wykorzystane, najpierw do lepszego zrozumienia przyrody, a z czasem także i do zastosowań technicznych. Niewielu jest  uczonych, którzy dają początek nowej dziedzinie wiedzy i John Stuart Bell należy do tego elitarnego grona.

Szczegóły rachunków można znaleźć tutaj. Nicolas Gisin, jeden z uczestników eksperymentów i prac teoretycznych w tej dziedzinie napisał książkę popularną niemal w całości poświęconą grze Bella: Quantum Chance. Nonlocality, Teleportation and Other Quantum Marvels (Springer, 2014).