~Splątanie kwantowe, stan splątany (mechanika kwantowa)

Szablon:Infobox quantum mechanics

Splątanie kwantowe – zjawisko fizyczne występujące w mechanice kwantowej, w którym para lub grupa cząstek jest opisana wspólnym stanem kwantowym w taki sposób, że stan jednej cząstki nie może być w pełni opisany bez uwzględnienia stanu drugiej, niezależnie od odległości między nimi. Zjawisko to zostało po raz pierwszy zauważone przez Einsteina, Podolsky’ego i Rosena w 1935 roku w tzw. paradoksie EPR^[1].

Opis

Plik:Entangled Photons.svg

Schemat rozdzielania splątanych fotonów

W splątaniu kwantowym pomiar jednej z cząstek automatycznie determinuje stan drugiej, bez względu na odległość między nimi. Na przykład, jeśli dwie cząstki są splątane pod względem spinu i jedna zostaje zmierzona jako "spin w górę", druga natychmiast przyjmuje stan "spin w dół", choćby znajdowała się w innej galaktyce^[2].

Znaczenie

Splątanie kwantowe jest kluczowe dla wielu zastosowań technologicznych, takich jak:

kryptografia kwantowa – zapewniająca teoretycznie bezpieczną komunikację^[3],
komputery kwantowe – wykorzystujące splątane kubity do równoległego przetwarzania informacji^[4],
teleportacja kwantowa – przesyłanie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą bez fizycznego transportu^[5].

Eksperymentalne potwierdzenie

Plik:Bell Experiment Setup.png

Eksperymentalne potwierdzenie splątania w testach Bella

Zjawisko splątania zostało eksperymentalnie potwierdzone w licznych badaniach, m.in. przez Aspekta w 1982 roku, który wykazał naruszenie nierówności Bella – kluczowego testu rozróżniającego mechanikę kwantową od teorii lokalnego realizmu^[2].

W 2022 roku Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki została przyznana za pionierskie eksperymenty dotyczące splątania kwantowego: Alainowi Aspectowi, Johnowi Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi^[6].

Matematyczna reprezentacja

Plik:Bell state.svg

Jeden ze stanów Bella: Szablon:Nowrap

Stan splątany można zapisać jako superpozycję stanów pojedynczych cząstek. Przykładem jest jeden ze stanów Bella:

<math>|\Phi^+\rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} (|00\rangle + |11\rangle)</math>

Jest to nierozerwalnie połączony stan dwóch kubitów, który nie może być zapisany jako iloczyn tensorowy stanów pojedynczych cząstek.

Kontrowersje i interpretacje

Einstein określał splątanie jako „upiorne oddziaływanie na odległość” („*spooky action at a distance*”), sugerując niekompletność mechaniki kwantowej. Współczesne interpretacje różnią się co do znaczenia splątania – m.in. interpretacja kopenhaska uznaje je za fundamentalny aspekt rzeczywistości kwantowej, natomiast teoria zmiennych ukrytych sugeruje istnienie nieznanych czynników determinujących wyniki pomiarów.

Splątanie kwantowe w biologii

Splątanie kwantowe, choć znane głównie z fizyki cząstek i technologii kwantowych, może również odgrywać rolę w procesach biologicznych. Dziedzina badająca takie zjawiska nosi nazwę biologia kwantowa.

Fotosynteza

Plik:FMO complex structure.png

Struktura kompleksu FMO u bakterii zielonych siarkowych

W kompleksach antenowych roślin i bakterii fotosyntetycznych (np. kompleks FMO – Fenna-Matthews-Olson) zaobserwowano zjawiska koherencji kwantowej. Eksperymenty wykazały, że energia świetlna może być transportowana w sposób falowy, co może wykorzystywać efekty splątania^[7].

Nawigacja ptaków

Plik:Robin magnetoreception simplified.svg

Schemat działania magnetycznego „kompasu kwantowego” u ptaków

U ptaków wędrownych, takich jak rudzik europejski, podejrzewa się istnienie mechanizmu orientacji magnetycznej opartego na parach splątanych rodników w cząsteczce kryptochromu, występującej w siatkówce oka. Reakcje chemiczne wywołane światłem prowadzą do powstania pary elektronów, których stany spinowe są splątane. Ich dalszy rozwój zależy od orientacji ptaka względem ziemskiego pola magnetycznego^[8].

Zmysł węchu

Jedna z hipotez dotyczących percepcji zapachu (hipoteza wibracyjna) sugeruje, że receptory węchowe mogą wykorzystywać zjawiska kwantowe takie jak tunelowanie elektronowe i być może również splątanie, aby rozróżniać molekuły na podstawie ich częstotliwości drgań^[9]. Teoria ta pozostaje kontrowersyjna i nie ma jednoznacznych dowodów eksperymentalnych.

Inne hipotezy

W literaturze pojawiają się również sugestie, że splątanie może odgrywać rolę w procesach biologicznych zachodzących w DNA, enzymach i podczas przenoszenia elektronów w komórkach. Hipotezy te nie zostały jeszcze potwierdzone eksperymentalnie.

Zestawienie

Proces biologiczny	Możliwa rola splątania kwantowego	Status badań
Fotosynteza	Transfer energii w centrach antenowych	Potwierdzone eksperymentalnie
Nawigacja ptaków	Kompas kwantowy oparty na parach rodników	Silne dowody pośrednie
Zmysł węchu	Tunelowanie elektronowe, selekcja drgań molekuł	Hipoteza, kontrowersyjna
DNA, enzymy	Transfer spinowy, elektrony, wiązania	Teorie spekulatywne

Zobacz też

Przypisy

[EPR1935-1] Szablon:Cite journal

[Aspect1982-2] 2,0 ^2,1 Szablon:Cite journal

[3] Szablon:Cite journal

[4] Szablon:Cite book

[5] Szablon:Cite journal

[6] Szablon:Cite web

[Engel2007-7] Szablon:Cite journal

[Ritz2004-8] Szablon:Cite journal

[9] Szablon:Cite journal

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]