Fala padając na dwie szczeliny ulega ugięciu czyli dyfrakcji, a następnie ugięte wiązki nakładają się na siebie tworząc wzmocnienia i osłabienia

Mechanika kwantowa to dział fizyki opisujący przede wszystkim ruch małych cząstek (elektron, proton, atomy) na małych odległościach z uwzględnieniem ich właściwości falowych. Ostatnio fizycy obserwują jednak pewne zachowania charakterystyczne dla mechaniki kwantowej dla coraz większych obiektów. W mechanice kwantowej stosowany jest abstrakcyjny opis, niezrozumiały dla laika. Niestety równania mechaniki kwantowej są bardzo skomplikowane, używają zaawansowanego aparatu matematycznego i dlatego nie możemy ich tutaj przedstawić. Poniżej omawiamy tylko wnioski z rozwiązań równań mechaniki kwantowej.
W ruchu małych cząstek na małych odległościach, a tak przykładowo zachowuje się elektron w atomie wodoru, nie ma pojęcia toru. Można jedynie określić prawdopodobieństwo znalezienia tej cząstki w danym obszarze przestrzeni. Okazuje się, że w mechanice kwantowej obiekt może przyjmować dowolne wartości, ale ściśle określone, a najmniejsza energia nie może wynosić nigdy zero. Mówimy, że energia jest skwantowana. Najniższą energię jaką może przyjmować obiekt nazywamy energią podstawową lub stanem podstawowym. Dla dużych ciał, na przykład człowieka, energia stanu podstawowego jest tak mała, że nie odróżniamy jej od zera natomiast wartości energii jakie może przyjmować obiekt są bardzo blisko siebie i wydaję się nam, że te energie mogą przyjmować dowolne wartości. Można powiedzieć, że dla dużych obiektów nie zauważamy efektów kwantowych i ruch tych obiektów opisujemy za pomocą równań mechaniki klasycznej czyli korzystając z zasad dynamiki Newtona.
Aby lepiej zrozumieć efekty mechaniki kwantowej zajmiemy się teraz doświadczeniem z dwoma szczelinami znajdującymi się blisko siebie. Dla światła taki eksperyment przeprowadził Thomas Young ponad dwieście lat temu. Światło przechodząc prze dwie szczeliny ugina się czyli ulega dyfrakcji, a następnie ugięte wiązki nakładają się na siebie czyli następuje interferencja. W niektórych miejscach powstają wzmocnienia, a w niektórych osłabienia, czyli dla światła widać na przemian jasne i ciemne prążki. Takie doświadczenie można wykonać samodzielnie. Opis tych doświadczeń znajduje się w dziale Doświadczenia domowe w zakładce Optyka. Dyfrakcja i interferencja są to typowe zjawiska charakterystyczne dla rozchodzenia się fali. Jeśli one zachodzą to oznacza, że obiekt można traktować jako falę.
Podobne doświadczenie z dwiema bliskimi siebie szczelinami można wykonać dla małych cząstek, na przykład poruszających się z tą samą prędkością elektronów. W miejscu ekranu umieszcza się klisze fotograficzną czuła na uderzające elektrony. Klisza rejestruje poszczególne punkty uderzeń elektronów, które z czasem tworzą regularne prążki interferencyjne. Gdy zredukuje się ilość padających elektronów tak, aby pojedynczy elektron uderzał w klisze co kilka minut, to po dostatecznie długim czasie tworzy się taki sam obraz interferencyjny. Aby to

Wynik interferencji światła laserowego po przej.ściu przez dwie szczeliny, zdjęcie jest zrzutem klatki z filmiku zamieszczonego w dziale "Doświadczenia domowe"

wyjaśnić, trzeba przyjąć, że (elektron przeszedł jednocześnie przez obie szczeliny i interferował sam ze sobą. Musiał zatem znajdować się w dwóch miejscach naraz. Można jedynie określić prawdopodobieństwo przejścia elektronu przez poszczególne szczeliny. Fizycy mówią ogólnie, że obiekt może znajdować się w dwóch stanach jednocześnie. Co jest bardzo dziwne, gdyby umieścić superdokładny mikroskop śledzący przez którą szczelinę przeleciał elektron to obraz interferencyjny znika. Obserwacja elektronu wskazuje jego dokładne położenie więc niszczy możliwość nakładania się fal. Rola obserwatora wydaje się nieodłącznie wpisana w mechanikę kwantową. Stąd wynika zasada, że obserwacja zaburza stan obserwowanego obiektu.
Takie kwantowe zachowanie się obiektów obdarzonych masą wykryto najpierw dla elektronów (1932 rok), później dla protonów, neutronów, atomów i wreszcie dla dużych cząsteczek chemicznych. W 2013 roku udał się uzyskać widmo interferencyjne po przejściu prze szczeliny cząsteczki składającej się z około pięciu tysięcy protonów, pięciu tysięcy neutronów i pięciu tysięcy elektronów. Badana cząsteczka jest tylko o dziesięć razy mniejsza od najmniejszych wirusów. Fizycy już planują podobne doświadczenie dla najmniejszych wirusów. Kandydatem jest wirus grypy i mozaika tytoniu. Ciekawe czy to się powiedzie? Może anegdota o kocie Schrödingera będzie spełniona?

Symulacja interferencji dwóch fal ugiętych na szczelinach

Efekty kwantowe można obserwować w zupełnie innych układach. W 2000 roku fizycy z uniwersytetu w Nowym Yorku wytworzyli warunki w których stan przepływającego prądu był superpozycją (złożeniem) zera i jedynki czyli stanu w którym prąd nie płynął i jednocześnie płynął. Obwód stanowiła niewielka pętla o wymiarach mikrometrycznych (jeszcze niewidzialna dla ludzkiego oka), wykonana z nadprzewodzącego metalu, którego opór elektryczny znikał w temperaturze zera bezwzględnego. Jeśli strumień pola magnetycznego przenikał pętlę, wzbudzał w niej niezanikający w czasie prąd elektryczny. Mógł on krążyć w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Prąd ten wytwarzał własne pole magnetyczne, które wnosiło dodatkowy wkład do strumienia. Mechanika kwantowa wymaga, aby strumień magnetyczny przenikający pętlę zmieniał się skokowo, nawet jeśli zewnętrzne pole magnetyczne zmienia się w sposób ciągły. Może więc przyjmować tylko wartości będące wielokrotnością pewnej małej określonej wartości, którą nazwiemy kwantem strumienia pola magnetycznego. Fizycy mówią, że strumień indukcji jest wielkością skantowaną.
W eksperymencie badacze nadprzewodzącą pętlę umieszczali w polu magnetycznym o takiej wartości, że przenikający ją strumień miał wartość równą połowie tego kwantu. Krążący w pętli prąd elektryczny musiał zatem dopasować swój kierunek i wartość pola magnetycznego w taki sposób, żeby spełnić warunki kwantyzacji strumienia. Płynąc w jednym kierunku, zwiększał wielkość strumienia magnetycznego i dopełniał go do pełnego kwantu, natomiast gdy płynął w kierunku przeciwnym, redukował go do zera. jak wynikało z doświadczenia oba te przypadki występują z tym samym prawdopodobieństwem. Stąd stan pętli nadprzewodzącej o najniższej energii jest stanem superpozycji czyli złożeniem lub inaczej sumą dwóch stanów, w których prądy płyną jednocześnie w przeciwnych kierunkach. Dopiero pomiar wybiera przypadkowo jeden z nich. Wnioski z tych doświadczeń wykorzystano do konstrukcji komputerów kwantowych firmy D-Wave Systems.
W 2010 roku fizycy z University of California w Santa Barbara przeprowadzili eksperyment, w którym wytworzyli superpozycje kwantową obiektu możliwego do obserwacji gołym okiem. Obiektem była cienka płytka z kryształu azotku glinu, mającego własności piezoelektryczne. Pobudzona elektrycznie płytka mogła drgać z częstotliwością miliardów herców na sekundę. Ochładzając płytkę do temperatury bliskiej zeru bezwzględnemu doprowadzono do stanu podstawowego, w którym drgania znikały. Płytka była sprzężona ze specjalnym nadprzewodnikowym obwodem, umożliwiającym wywoływanie drgań mechanicznych i ich wykrywanie. Naukowcom udało się wytworzyć stan superpozycji, w którym jednocześnie płytka drgała i nie drgała! Jest to sprzeczne z fizyką klasyczną, ale typowe dla mechaniki kwantowej. Każdy pomiar powoduje natychmiastowe przejście układu do jednego z dwóch stanów tworzących superpozycję. Po pomiarze płytka albo drga, albo nie drga. Po wielu pomiarach stosunek liczb tych dwóch przypadkowo pojawiających się wyników jest dokładnie taki, jaki przewiduje mechanika kwantowa.
Niezwykłym i bardzo trudnym do zrozumienia jest możliwość wynikająca z mechaniki kwantowej otrzymania tak zwanego stanu splątanego dwóch lub więcej cząstek, ewentualnie innych układów kwantowych. Stan splątany ma niemożliwą w fizyce klasycznej cechę polegającą na tym, że stan całego układu jest lepiej określony niż stan jego części. Najłatwiej wytworzyć parę splatanych spolaryzowanych fotonów lub pary elektronów o przeciwnych spinach.
Pary splątanych fotonów można wytworzyć np. za pomocą specjalnych kryształów. Gdy do wnętrza takiego kryształu wleci foton, może on być przetworzony na dwa fotony. Kryształ polaryzuje foton tworząc parę, w której jeden foton "drga w poziomie", a drugi "drga w pionie". Nie jesteśmy w stanie stwierdzić, jaką polaryzację ma dany foton w parze. Tak splątane cząstki można jednak rozdzielić nawet na spore odległości. Gdy dokonamy obserwacji jednego fotonu, wytrącimy go z nieokreślonego stanu kwantowego do stanu dobrze określonego czyli zmierzmy, że miał taką a nie inną polaryzację. Obserwacja na jednym fotonie pozwala natychmiast przewidzieć stan jego splątanego partnera, jest on spolaryzowany w płaszczyźnie prostopadłej. Splątanie oznacza więc sytuację, gdy w celu określenia stanu jednej cząstki kwantowej niezbędna jest wiedza o stanie jej splątanego partnera. Taki układ fizyczny zachowuje swą spójność nawet po rozdzieleniu cząstek. Mogą one przebywać w dużej odległości od siebie, mimo to tworzą całość. Cały układ ma więc zdefiniowany swój stan kwantowy mimo faktu, że stany poszczególnych cząstek składowych pozostają nieokreślone. W idealnym przypadku, gdy obiekty kwantowe są splątane w maksymalnym stopniu, mierząc stan jednego potrafimy z całą pewnością ustalić, jaki stan zobaczymy u drugiego. Jednak w rzeczywistych sytuacjach układy cząstek splątanych zawsze oddziałują z otoczeniem, co tworzy pewien szum. Z reguły pomimo szumu możemy uzyskać informację o stanach kwantowych splątanych cząstek.
Oczywiście odbywa się to w bardzo wyrafinowanych układach najczęściej istniejących w niezwykłych warunkach, na przykład bardzo niskich temperaturach. Dzięki splątaniu można stworzyć komputery kwantowe i bezpieczne protokoły komunikacyjne czyli nowoczesne metody szyfrowania danych oraz trwają próby teleportacji.
Opracowano na podstawie artykułu "80 lat kota Schrödingera" zamieszczonego w numerze 5/2014 czasopisma "Wiedza i życie" oraz informacji internetowych.