Światło, które wyssałeś dzisiaj rano, może pewnego dnia zasilać komputery kwantowe

Poznajcie coś, co brzmi jak science fiction, a jest całkowicie realne: naukowcy nauczyli się wykorzystywać zwykłe światło słoneczne do tworzenia splątania kwantowego — tę dziwną rzecz, którą sam Einstein nazwał "upiornej działania na odległość".

Do tej pory, jeśli chciałeś wykorzystać splątanie kwantowe do rzeczy takich jak ultrapewna komunikacja czy superwydajne obliczenia, potrzebowałeś laserów. Dużo laserów. A lasery pochłaniają ogromne ilości energii. Kiedy nasze kwantowe ambicje rosną, całkowite zużycie prądu zaczyna wyglądać na poważny problem.

Ale jest tutaj coś ekscytującego.

Zespół z Uniwersytetu Ottawskiego i Instytutu Maxa Plancka właśnie opublikował badania pokazujące, że światło słoneczne — tak, to samo, które teraz ogrzewa twoją skórę — może wykonać tę robotę. I to nie jako tako. Otrzymane splątanie było na poziomie około 94% idealnego stanu splątanego. To naprawdę dobry wynik.

Co to w ogóle jest to splątanie kwantowe?

Rozłóżmy to na czynniki pierwsze w przystępny sposób. Wyobraź sobie, że masz dwie cząstki — powiedzmy fotony, czyli cząstki światła. Kiedy są splątane, dzieje się coś magicznego: stają się połączone w sposób, który łamie nasze normalne wyobrażenie o tym, jak działaWszechświat.

Zmierz jeden foton, a natychmiast wiesz coś o jego partnerze, bez względu na to, jak daleko od siebie są. Zmień jeden, a drugi reaguje. To jak bliźniacze cząstki, które zawsze wiedzą, co druga robi, nawet jeśli jedna jest na Marsie, a druga w twoim ogródku.

To nie jest tylko ciekawostka. Splątanie to fundament komputerów kwantowych, szyfrowania nie do złamania i czujników tak precyzyjnych, że dzisiejsza najlepsza technologia wygląda przy nich jak zabawka dla dziecka.

Tradycyjny problem

Jest jednak haczyk: fizycy zawsze zakładali, że do stworzenia splątania potrzebujesz bardzo specyficznego, uporządkowanego światła. Lasery wytwarzają tak zwane światło "koherentne", co oznacza, że wszystkie fale świetlne podróżują w idealnym unisono. Pomyśl o tym jak o defiladzie wojskowej — każdy żołnierz precyzyjnie w szyku.

Światło słoneczne natomiast to chaos. Zawiera każdy kolor, podróżuje w każdym kierunku i ogólnie robi swoje. Naukowcy myśleli, że ten bałagan uniemożliwi splątanie.

Ale właśnie o tym jest dobra nauka: czasem najważniejsze odkrycia przychodzą z zakwestionowaniem tych "oczywistych" założeń.

Moment olśnienia

Kilka lat temu badacze z Uniwersytetu Ottawskiego zaczęli bawić się diodami LED — tymi zwykłymi żarówkami, które zdecydowanie nie są koherentne. Ku swojemu zaskoczeniu odkryli, że te nieuporządkowane źródła światła wciąż mogą tworzyć splątanie. Okazało się, że choć światło może być chaotyczne w niektórych aspektach, wciąż może produkować cząstki splątane w innych.

To zasiało ziarno. Co jeśli moglibyśmy rozwinąć tę zasadę do logicznego ekstremum z czymś jeszcze bardziej chaotycznym niż dioda LED?

To pytanie zaprowadziło ich do światła słonecznego.

Budowanie uchwytu na słońce

Wyzwanie było ogromne. Światło słoneczne jest rozproszone i bez kierunku. Aby stworzyć splątanie, trzeba było skupić je na maleńkim krysztale nieliniowym — mniej więcej milimetr wielkości. To jak próba napełnienia naparstka używając węża strażackiego ze światła słonecznego.

Rozwiązanie przyszło od badaczy z Instytutu Maxa Plancka, którzy zaprojektowali sprytny koncentrator słoneczny w całości wykonany ze szkła. Wykorzystuje soczewkę Fresnela (podobną do tej w latarni morskiej) mniej więcej wielkości okna, aby zbierać światło słoneczne, a następnie kieruje je przez stożkowy układ do włókna optycznego mniej więcej grubości ludzkiego włosa.

Dzięki temu setupowi mogli kierować skoncentrowane światło słoneczne na ów malutki kryształ i obserwować kwantową magię.

Prawdziwa sztuczka

Ale tutaj jest coś, co uważam za najbardziej sprytne w tych badaniach. Zespół zdał sobie sprawę z czegoś ważnego: choć światło słoneczne jest chaotyczne pod względem kolorów i kierunków, wciąż może produkować splątanie w jednej konkretnej właściwości — polaryzacji, która jest zasadniczo kierunkiem, w jakim fale świetlne się kołyszą.

Projektując swój układ tak, żeby tylko polaryzacja miała znaczenie dla splątania, mogli zignorować cały ten inny bałagan. Światło słoneczne mogło być chaotyczne na każdy możliwy sposób, a i tak działało.

To jak powiedzenie: "Jasne, orkiestra gra całkowicie fałszywie i połowa muzyków czyta inną nutę — ale dopóki bębny grają w idealnym rytmie, uznamy to za sukces."

Dlaczego to jest ważne?

No więc naukowcy potrafią tworzyć splątanie za pomocą światła słonecznego. Dlaczego miałoby cię to obchodzić?

Na początek pomyśl o satelitach. W tej chwili, jeśli chcesz, żeby satelita tworzył bezpieczne klucze szyfrowania kwantowego, musisz wyposażyć go w lasery i cały osprzęt do ich zasilania. To ciężkie, drogie i prądożerne.

Z napędzanym światłem słonecznym splątaniem satelita mógłby potencjalnie wykorzystywać obfitą energię słoneczną do generowania tych samych kluczy. Mniej sprzętu, mniejsza waga, mniej rzeczy, które mogą pójść nie tak w surowym środowisku kosmosu.

Ale większy obraz jest jeszcze bardziej ekscytujący. Komputery kwantowe są niesamowicie obiecujące, ale skalowanie ich było koszmarem złożoności i zapotrzebowania na energię. Jeśli światło słoneczne może przyczynić się do generowania splątania, może patrzymy na ścieżkę do technologii kwantowych, które nie wymagają infrastruktury elektrycznej małego miasta.

Bardziej dostępne. Bardziej zrównoważone. Bardziej możliwe.

Większy obraz

To, co najbardziej mnie uderza w tych badaniach, to nie tylko osiągnięcie techniczne — to sposób myślenia, który za nim stoi. Ktoś spojrzał na problem, o którym wszyscy myśleli, że ma jedno rozwiązanie i zapytał: "A co jeśli nie?"

Tak właśnie postępuje nauka. Nie przez akceptację tego, co zawsze nam mówiono, ale przez testowanie tych założeń, dotykanie granic i czasem odkrywanie, że "niemożliwe" jest właściwie całkiem wykonalne.

Więc następnym razem, gdy będziesz się opalać, weź pod uwagę: to samo światło uderzające w twoją twarz może pewnego dnia pomóc zasilać komputery kwantowe, zabezpieczać globalną komunikację albo badać tajemnice fizyki kwantowej w sposób, którego jeszcze nie wyobrażamy sobie.

Nieźle jak na coś, co istnieje od 4,6 miliarda lat.