Czy złamano mechanikę kwantową? Badacze z UG o kontrowersyjnej tezie

Zespół badaczy z Chin, Austrii i Niemiec (Kai Wang, Zhaohua Hou, Kaiyi Qian, Leizhen Chen, Mario Krenn, Markus Aspelmeyer, Anton Zeilinger, Shining Zhu, Xiao- Song Ma) w artykule opublikowanym w „Science Advanced” w 2025 roku postawił tezę, że możliwe jest złamanie nierówności Bella bez splątania kwantowego. Naukowcy z Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych UG (ICTQT), wraz z Janem-Ake Larsonem z Linkoeping, przyjrzeli się tej pracy i na łamach prestiżowego czasopisma „Physical Review Letters” pokazali, że obserwowane korelacje istotnie są całkowicie nieklasyczne, ale ich analiza zawarta w pracy Wang i inni jest błędna, wspomniane fotony są splątane, choć nie jest to łatwe do zauważenia.

Eksperyment opublikowany w czasopiśmie „Science Advances”, zatytułowany „Violation of Bell inequality with unentangled photons” wywołał dyskusję zarówno w literaturze naukowej, jak i w mediach. Artykuł ten został pobrany ponad 23 tys. razy. Pojawiały się pytania: „Czy właśnie złamano mechanikę kwantową?”.

- Eksperyment ten wykorzystuje złożony układ interferometryczny oparty na zjawisku sfrustrowanej parametrycznej konwersji światła, w którym emisje dwóch par fotonów z dwóch kryształów „nieliniowych” stanowiących źródło splątanego światła interferują z emisjami fotonów w kryształach zainstalowanych w urządzeniach pomiarowych. Każdy kryształ „pomiarowy” otrzymuje światło parametrycznej konwersji z dwóch rożnych kryształów źródłowych (stąd „splecenie”). Interferencja wynika z faktu, że gdy zarejestrujemy w końcowych detektorach cztery fotony, każdy w innym detektorze - cały Wszechświat nie wie, skąd one pochodziły, czy z emisji ze źródeł, czy z emisji z kryształów zainstalowanych w stacjach pomiarowych. Dzięki temu cały układ zachowuje się jak jeden spójny system kwantowy, mimo że składa się z wielu elementów. Autorzy eksperymentu zasugerowali, że obserwowane korelacje mogą naruszać nierówność Bella - mimo, jak twierdzili, braku splątania fotonów. Byłoby to bardzo zaskakujące - w standardowym rozumieniu fizyki kwantowej naruszenie nierówności Bella jest zawsze związane z istnieniem splątania kwantowego - wyjaśnia Koordynator Transferu Wiedzy w Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych dr inż. Piotr Ćwikliński.

Badacze z Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych (ICTQT) oraz Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Wydziału Fizyki, Matematyki i Informatyki Uniwersytetu Gdańskiego (IFTiA WMFiI) - mgr Paweł Cieśliński (ICTQT oraz IFTiA WMFiI), dr hab. Marcin Markiewicz, prof. UG (ICTQT), dr Konrad Schlichtholz (ICTQT) oraz prof. dr hab. Marek Żukowski (ICTQT) - we współpracy z prof. Janem-Åke Larssonem  z Linköping University przyjrzeli się temu zagadnieniu, dokonali analizy teoretycznej i wykazali, że pozorny paradoks wynika z nieprecyzyjnej analizy eksperymentu. W pracy „Unquestionable Bell theorem for interwoven frustrated down conversion processes”, opublikowanej w prestiżowym „Physical Review Letters” (Phys. Rev. Lett. 136, 090206; preprint dostępny na arXiv), pokazują, że jeśli w analizie wykorzystuje się jedynie lokalne przesunięcia fazy jako ustawienia pomiarowe, obserwowane wyniki można odtworzyć przy pomocy lokalnego modelu realistycznego. Oznacza to, że sam eksperyment - w takiej formie - nie stanowi jednoznacznego naruszenia nierówności Bella. 

- Jednocześnie proponujemy poprawny schemat testu Bella dla tego typu układu. Kluczowym pomysłem jest potraktowanie kryształów znajdujących się w stacjach pomiarowych jako integralnych elementów lokalnych aparatów pomiarowych oraz definiowanie ustawień pomiaru poprzez włączanie i wyłączanie „pompowania” (tj. działania) tych kryształów. W tak sformułowanym scenariuszu interferometr może rzeczywiście prowadzić do jednoznacznego naruszenia nierówności Bella, potwierdzając nieklasyczny charakter zjawiska - wyjaśnia Dyrektor Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych prof. Marek Żukowski.

- Praca pokazuje również, że stan kwantowy odpowiedzialny za obserwowane interferencje jest w rzeczywistości od samego początku splątany, gdy go poprawnie opisujemy jako stan „kwantowo-optycznego pola fotonowego”, a nie po prostu fotonów, co oznacza, że teza o „złamaniu nierówności Bella bez splątania” nie znajduje potwierdzenia w precyzyjnej analizie teoretycznej - dodaje dr inż. Piotr Ćwikliński.

W kolejnej pracy „Bell-GHZ nonclassicality of many-observer interwoven frustrated down conversions” gdańscy autorzy rozwijają te idee, pokazując, że podobne konfiguracje interferometryczne można rozszerzyć na układy z większą liczbą obserwatorów. Pozwala to konstruować testy typu Greenbergera-Horne’a-Zeilingera, czyli takie, w których układ kilku splątanych fotonów daje wyniki całkowicie niemożliwe do wyjaśnienia przez klasyczne, lokalne modele, ujawniające jeszcze silniejsze formy nielokalności kwantowej proponowanej przez Einsteina, Rosena i Podolskiego (1935).

- Historia ta pokazuje, że w fizyce fundamentalnej nawet bardzo subtelne szczegóły dotyczące definicji pomiarów mogą prowadzić do pozornie rewolucyjnych interpretacji wyników. Ostatecznie jednak nowa analiza nie podważa podstaw mechaniki kwantowej - przeciwnie, potwierdza jej spójność i precyzuje sposób analizowania złożonych eksperymentów interferometrycznych. Zatem udało się nam sfomułować precyzyjną teorię nieklasyczności nowego typu interferometrii. A nowe zjawiska, gdy dobrze zrozumiane, mogą prowadzić do nowych odkryć i nowych technologii - zauważa prof. Marek Żukowski.

Dyrektor ICTQT dodaje, że „napisanie tej pracy było też wyzwaniem emocjonalnym, ponieważ wśród autorów krytykowanego artykułu są nasi współpracownicy i przyjaciele”. - Ale z racji pionierskiego charakteru eksperymentu było naszym naukowym obowiązkiem ustalenie prawdziwych przyczyn nieklasyczności obserwowanej interferencji. Sam eksperyment jest przepiękny i był niezmiernie trudny do wykonania. Autorom należą się najwyższe brawa - podkreślił naukowiec.