Przejdź do głównej treści

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nauki ścisłe

Nawigacja okruszkowa Nawigacja okruszkowa

Widok zawartości stron Widok zawartości stron

Nobel z fizyki dla informatyki kwantowej

Nobel z fizyki dla informatyki kwantowej

Tegoroczną Nagroda Nobla z dziedziny fizyki przyznano Alainowi Aspectowi, Johnowi F. Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi za eksperymenty ze splątanymi fotonami, ustalające naruszenie nierówności Bella i pionierską informatykę kwantową. O komentarz w kwestii decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk poprosiliśmy dr. hab. Jakuba Mielczarka z Instytutu Fizyki Teoretycznej, dr. hab. Szymona Pustelnego, prof. UJ z Zakładu Fotoniki, dr. Tomasza Millera z Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych oraz prof. dr. hab. Karola Życzkowskiego z Zakładu Optyki Atomowej.

Dr hab. Szymon Pustelny, prof. UJ - Zakład Fotoniki:

Przez ostatnie 120 lat jednym z głównych rozwojów fizyki była mechanika kwantowa. Ta powstała na przełomie XIX i XX wieku teoria  pozwala na opis świata w mikroskali. To właśnie dzięki niej już na początku XX wieku udało się wyjaśnić takie zjawisko jak promieniowanie ciała doskonale czarnego czy efekt fotoelektryczny. Szybko jednak okazało się, że mechanika kwantowa przewiduje zjawiska, które przeczą „zdrowemu rozsądkowi”, a przez to budzą problemy interpretacyjne.

Jedną z podstawowych zagadek mechaniki kwantowej jest jej niedeterministyczny charakter. Oznacza to, że w wielu przypadkach wynik eksperymentu można jedynie przewidzieć z pewnym prawdopodobieństwem i nie jest to bynajmniej brak wiedzy, a fundamentalna właściwość przyrody. Od lat rozbudza to wyobraźnię entuzjastów, ale jest i źródłem szeregu nieporozumień. Było to również źródłem silnego oporu, z którym teoria ta musiała mierzyć się na początku swojego istnienia.

Jednym z wielkich przeciwników mechaniki kwantowej był Albert Einstein, paradoksalnie jeden z ojców tej teorii. Do historii nauki przeszła jego wieloletnia polemika z Nielsem Bohrem, który również w znaczący sposób przyczynił się do rozwoju tej teorii. Przez wiele lat prowadzili oni ze sobą listowną korespondencję, w której Einstein przywoływał coraz to nowsze argumenty przeciwko mechanice kwantowej, podczas gdy Bohr systematycznie je obalał. To właśnie wtedy Einstein sformułował sławne zdanie „Bóg w kości nie gra”, które miało poddawać w wątpliwość probabilistyczny charakter tej teorii.

Dziedziny te mogą w przyszłości wywrzeć ogromny wpływ na codzienne życie przez zwiększenie możliwości obliczeniowych komputerów (stworzenie tzw. komputerów kwantowych) oraz poprawę bezpieczeństwo transmisji informacji (generacja bezpiecznych kluczy kryptograficznych).

W 1935 roku Einstein wraz z Borisem Podolskym oraz Nathanem Rosenem napisał  artykuł zatytułowany „Czy kwantowomechaniczny opis rzeczywistości jest kompletny?” („Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?”). W artykule tym autorzy opisali eksperyment myślowy, który dziś znany jest jako paradoks EPR od pierwszych liter nazwisk jego twórców. W swojej pracy Einstein, Podolsky oraz Rosen opisali proces, w którym dochodzi do powstania dwóch cząstek poruszających się w przeciwnych kierunkach. Ponieważ cząstki te generowane były w jednym procesie, musi istnieć związek pomiędzy takimi opisującymi je wielkościami jak ich położenia oraz pędy. W rezultacie pomiar pędu jednej cząstki dostarcza informacji o pędzie drugiej, podczas gdy pomiar położenia drugiej cząstki niesie ze sobą informację o położeniu pierwszej. Jak argumentowali autorzy, dokonanie pomiaru obu cząstek dostarcza informacji o położeniu i pędzie każdej z nich, co przeczy jednej z podstawowych zasad mechaniki kwantowej tzw. zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, która tego zabrania. Zdaniem autorów, gdyby rzeczywiście prawa mechaniki kwantowej były spełnione, pomiar jednej z cząstek musiałby natychmiast zaburzać stan drugiej cząstki, a przecież jest to nielogiczne, gdyż wymagałoby istnienia „dziwacznego oddziaływania na odległość”. Takie oddziaływanie łamałoby zasadę lokalności, która jest jedną z podstaw szczególną teorią względności.

Przez wiele lat problem sformułowany przez Einsteina, Podolsky’ego i Rosena pozostawał nierozwiązany. Jednym z jego wyjaśnień była tak zwana teoria ukrytych zmiennych, w myśl której natychmiastowe oddziaływanie na odległość nie istnieje, a sam system opisywany jest przez dodatkowe, niedostępne dla obserwatora parametry, które są źródłem lokalności teorii.

Jednym z rozszerzeń pracy tercetu z Princeton była opublikowana w 1964 rok analiza pracującego w CERN Johna Bella. W ramach tej analizy sformułował on sławne nierówności Bella, których spełnienie miałoby dowodzić klasyczności eksperymentu zaproponowanego przez Einsteina, Podolsky’ego i Rosena.

Pierwszą próbę doświadczalnego pomiaru nierówności Bella przeprowadzono już w roku 1972. Jednakże dowód na niespełnienie tej nierówności, a co za tym idzie na nielokalność mechaniki kwantowej, został przeprowadzony w oparciu o całą serię założeń. Dlatego też dowód ten nie był ostateczny i dopiero rozwój optyki kwantowej, tj. możliwość prowadzenia pomiarów przy użyciu pojedynczych fotonów, umożliwiła przeprowadzenie pełnego dowodu łamania nierówności Bella i dowiedzenia w ten sposób mechaniki kwantowej.

W 2022 roku Nagrodą Nobla z fizyki uhonorowani zostali Francuz Alain Aspect, Amerykanin John Clauser i Austriak Anton Zeilinger. Wyróżnienie to zostało przyznane za „wykazanie potencjału badania i kontroli cząstek w stanie splątanym”. Stan splątany to taki stan kwantowy, który nie tyle opisuje pojedynczą cząstkę, ale układ dwóch lub więcej cząstek. W takim przypadku pomiar pojedynczej cząstki z układu splątanego powoduje zmianę całego układu i to niezależnie od tego czy cząstki te znajdują się w bliskiej odległości czy też są od siebie bardzo odległe. To właśnie w takim stanie znajdują się cząstki opisane w „eksperymencie” EPR. W konsekwencji pomiar położenia jednej cząstki zaburzał pęd drugiej cząstki i podczas pomiaru drugiej cząstki jej pęd nie był pędem wynikającym z procesu wytworzenia cząstek. W ten właśnie sposób nie jest możliwy jednoczesny nieskończenie dokładny pomiar położenia i pędu, a w konsekwencji spełniona jest zasada nieoznaczoności.

Kluczowe znaczenie dla lepszego zrozumienia mechaniki kwantowej przez weryfikację nierówności Bella miały badania Alaina Aspecta oraz Johna Clausera. To właśnie oni, wraz z nieżyjącym już dziś Stuartem Freedmannem, przeprowadzili pierwszy eksperyment łamania nierówności Bella w 1972. W kolejnych latach Aspect i Clauser przeprowadzili szereg doświadczalnych testów nierówności Bella. Sam Aspect miał też ogromny wpływ na rozwój optyki kwantowej. Jego doświadczenia zarówno z pojedynczymi fotonami, jak również z ultrazimną materią miały kluczowe znaczenie dla rozwoju tej dziedziny i stanowią dziś podręcznikowe przykłady kwantowej natury światła oraz ultrazimnych atomów (atomy w stanie Bosego-Einsteina).

Choć sam Zeilinger nie był zaangażowany w początkowe prace nad badaniem podstaw mechaniki kwantowej, to jego badania były jednym z motorów rozwoju optyki kwantowej. Jego szczególną zasługą dla rozwoju tej dziedziny są badania nad teleportacją kwantową. Zjawisko to polega na przeniesieniu splątania kwantowego z jednej pary cząstek na inną. Badania Zeilingera miały fundamentalne znaczenie dla zrozumienia mechaniki kwantowej, pozwoliły także na stworzenie dwóch nowych dziedzin nauki: kwantowej teorii informacji oraz kryptografii kwantowej. Dziedziny te mogą w przyszłości wywrzeć ogromny wpływ na  codzienne życie przez zwiększenie możliwości obliczeniowych komputerów (stworzenie tzw. komputerów kwantowych) oraz poprawę bezpieczeństwo transmisji informacji (generacja bezpiecznych kluczy kryptograficznych). W ten sposób tegoroczna Nagroda Nobla spełnia sformułowany w woli Alfreda Nobla zapis o praktycznej użyteczności nagradzanych badań.

Dr hab. Jakub Mielczarek - Instytut Fizyki Teoretycznej:

Jedną z najbardziej tajemniczych właśności mikroświata jest możliwość występowania splątania kwantowego pomiędzy cząstkami, np. elektronami lub fotonami. Splątanie kwantowe jest to szczególny rodzaj korelacji pomiędzy cząstkami, których nie da się wytłumaczyć odwołując się do fizyki klasycznej. Tajemniczość splątania kwantowego wiąże się z jego nielokalnym charakterem. Przejawia się ono tym, że nawet bardzo odległe cząstki mogą odczuwać między sobą rodzaj “telepatycznej więzi” - na stan jednej z nich wpływa to co dzieje się z innymi, z którymi pozostawała w splątaniu kwantowym. I nie byłoby w tym nic zaskakującego, gdyby nie fakt, że następuje to w sposób natychmiastowy. To okazało się początkowo trudne do zaakceptowania przez wielu fizyków, wliczając Alberta Einsteina, co doprowadziło do słynnego paradoksu EPR (Einsteina-Podolskiego-Rosena). Przypuszczano, że mogą istnieć pewne dodatkowe (nieobserwowane) stopnie swobody, tak zwane zmienne ukryte, znajomość których pozwoliłaby przewidzieć wyniki pomiarów i uniknąć konieczności natychmiastowej tak zwanej redukcji stanu kwantowego pomiędzy odległymi punktami. W latach sześćdziesiątych ubiegłego wieku, północnoirlandzki fizyk John Bell, pokazał, że teoria lokalnych zmiennych ukrytych wymaga spełnia nierówności (zwanej nierównością Bella, lub też nierównością Bella-CHSH (Clauser-Horne-Shimony-Holt)), zachodzącej pomiędzy wynikami pomiarów przeprowadzonych na parze cząstek. Okazuje się jednak, że stany splątane jawnie łamią tę nierówność, przecząc lokalnemu realizmowi świata. 

Dwóch z tegorocznych laureatów nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, John Clauser oraz Alain Aspect zostało uhonorowanych za eksperymentalne potwierdzenie łamania nierówności Bella, przez stany splątane dwóch fotonów. Pierwsze eksperymenty wykazujące łamanie nierówności Bella zostały przeprowadzone przez Johna Clausera jeszcze w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku. Podobny eksperyment wykonują obecnie z powodzeniem, w ramach II Pracowni Fizycznej, nasi studenci fizyki na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej. Eksperyment Clausera nie uwzględniał jednak tak zwanej luki związanej z lokalnością (ang. locality loophole), wynikającej z ustawienia układów pomiarowych przed wytworzeniem pary splątanych fotonów. To zaś dopuszcza hipotetyczną możliwość wpływu ustawień detektorów na wytworzony stan splątany. Możliwość taką wyeliminował w swoich eksperymentach, przeprowadzonych na początku lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku, Alain Aspect. W jego układzie eksperymentalnym, ustawienie polaryzatorów detektorów następowało już po emisji splątanej pary fotonów, co wymagało niezwykłego kunsztu eksperymentalnego.   

Eksperymentalne badanie splątania kwantowego nie tylko daje nam wgląd w zrozumienie fundamentalnych zasad rządzących światem. Splątania kwantowe może zostać również zaprzęgnięte do naszego użytku, co stopniowo znajduje urzeczywistnienie w ramach inżynierii kwantowej.

Eksperymentalne badanie splątania kwantowego nie tylko daje nam wgląd w zrozumienie fundamentalnych zasad rządzących światem. Splątania kwantowe może zostać również zaprzęgnięte do naszego użytku, co stopniowo znajduje urzeczywistnienie w ramach inżynierii kwantowej. Pionierem w tym obszarze jest kolejny laureat tegorocznej nagrody Nobla w dziedzinie fizyki, Anton Zeilinger. Zapoczątkował on i rozwinął do poziomu dojrzałych rozwiązań praktyczne wykorzystanie splątanych par fotonów. Trudno zsyntezować ogrom wyników uzyskanych przez Zeilingera i jego wiedeńska grupę. Do najważniejszych z nich należą jednak z pewnością pierwsze eksperymenty z kwantową teleportacją stanów kwantowych, przeprowadzone w 1997 roku. Po upływie ćwierć wieku, teleportacja kwantowa jest obecnie realizowana nawet pomiędzy satelitami a stacjami naziemnymi.  

Warta podkreślenia jest również silna współpraca Antona Zeilinger z polskim fizykami, w szczególności z profesorem Markiem Żukowskim z Uniwersytetu Gdańskiego oraz z naszym absolwentem profesorem Arturem Ekerten z Uniwersytetu Oksfordzkiego. 

Oficjalne materiały Komitetu Noblowskiego przywołują między innymi ich wyniki dotyczące opracowanego z prof. Zeilingerem oraz prof. Hornem, protokołu wymiany splątania kwantowego. Jednym z najbardziej znanych praktycznych zastosowań splątania kwantowego i łamania nierówności Bella jest również protokół kwantowej dystrybucji klucza zaproponowany przez prof. Ekerta w 1991 roku, także przywoływany w materiałach Komitetu Noblowskiego. Z to osiągnięcie profesor Ekert był przywoływany jako pretendent do Nagrody Nobla. Z pewnością tegoroczne nagrody Nobla, nie były jednak ostatnimi przyznanymi za badania nad splątaniem kwantowym oraz jego szerokimi konsekwencjami. Biorąc zaś pod uwagę obecne tempo badań i opracowywania rozwiązań technicznych w obszarze fizyki kwantowej, możemy śmiało przypuszczać, że najciekawsze dopiero przed nami.

 

Dr Tomasz Miller - Centrum Kopernika Badań Interdyscyplinarnych:

Przełomowe dokonania Alaina Aspecta, Johna Clausera i Antona Zeilingera zaliczają się moim zdaniem do takich, dzięki którym fizyka jest tak fascynująca. Choć Komitet Noblowski podkreśla, że Laureaci zostali uhonorowani za pracę eksperymentalną, to ich wyniki doprowadziły także do rozkwitu teorii (tzw. podstaw mechaniki kwantowej) oraz zwiastują nową rewolucję techniczną.

Wiele wskazuje na to, że po pierwszej kwantowej rewolucji, która dała nam tranzystory i lasery, wielkimi krokami nadchodzi druga.

W dużym skrócie można powiedzieć, że doświadczenia Clausera, Aspecta i Zeilingera (kolejność chronologiczna) na splątanych fotonach ukazały ponad wszelką wątpliwość, że świat jest na wskroś kwantowy; że Albert Einstein mylił się, gdy przekonywał, że mechanika kwantowa jest tylko niepełnym – jakkolwiek skutecznym – przybliżeniem jakiejś głębszej teorii klasycznej (tj. nie-kwantowej). Okazuje się bowiem, że gdyby tak było, spełnione byłyby pewne matematyczne nierówności wyprowadzone w 1964 roku przez Johna Bella. Nierówności te traktowano jednak jako teoretyczną ciekawostkę, i dopiero prace Clausera i Aspecta (oraz ich współpracowników) pozwoliły przekonać się eksperymentalnie, że w przyrodzie są one łamane. Nie był to jednak koniec historii – do zamknięcia wciąż pozostawało kilka „furtek” (loopholes), alternatywnych wyjaśnień związanych z ograniczoną szybkością i dokładnością pomiarów. Największe zasługi w zamykaniu tych furtek miał Zeilinger. Ostatnia została przez niego zatrzaśnięta w roku 2015. Udoskonalając wcześniejsze eksperymenty Aspecta i Clausera, Zeilinger „po drodze” opracował wraz z zespołem cały szereg pomysłowych technik manipulowania stanami splątanych fotonów. Jak to często w fizyce bywa, techniki te znalazły już zastosowanie poza weryfikacją (a raczej falsyfikacją) nierówności Bella, umożliwiając coraz skuteczniejsze magazynowanie, przesył i przetwarzanie informacji opartej o kubity. Wiele wskazuje na to, że po pierwszej kwantowej rewolucji, która dała nam tranzystory i lasery, wielkimi krokami nadchodzi druga.

Prof. dr hab. Karol Życzkowski - Zakład Optyki Atomowej:

Nagrodę  otrzymali  Alain Aspect (Francja),  John Clauser (USA) oraz Anton Zeilinger (Austria) za serię eksperymentów wykazujących kwantową naturę mikroświata. Doświadczenia laureatów ukazały zadziwiające własności teorii kwantowej: położenia i prędkości danej cząstki nie da się jednocześnie dokładnie wyznaczyć, a teoria dopuszcza stany superpozycji dwóch stanów klasycznych. Jeszcze ważniejsze jest istnienie kwantowych stanów splątanych opisujących układ złożony w dwóch części, w których występują doskonałe korelacje pomiędzy wynikami pomiarów zarejestrowanych w każdym z podukładów.

Już w roku 1972 Clauser wykonywał badania korelacji pomiędzy polaryzacją fotonów emitowanych jednocześnie w przeciwne strony. Jego wyniki wykazały doświadczalnie złamanie nierówności otrzymanych w roku 1964 przez Johna Bella dla teorii lokalnych. Tym samym potwierdzono, że do opisu natury konieczna jest mechanika kwantowa, której fundamentalną cechą jest nielokalność: na wynik pomiaru układu kwantowego może wpłynąć także inny pomiar wykonany w odległym laboratorium.       

Wyniki otrzymane przez trójkę tegorocznych noblistów z jednej strony dotyczą podstawowych własności teorii kwantowej, lecz obecnie mają też olbrzymie znaczenie w rozwoju technologii przyszłości. Stany splątane są podstawowym zasobem wykorzystywanym przy realizacji kwantowej kryptografii oraz przy obliczeniach kwantowych.

Eksperymentalne prace nad wytworzeniem i detekcją kwantowych stanów splątanych wykonał Aspect (ze współpracownikami) w roku 1982. Wyniki jego doświadczeń z pojedynczymi fotonami pozwoliły na bardziej precyzyjne oszacowanie złamania nierówności Bella oraz zbadanie własności stanów splątanych. Należy podkreślić, że splątanie kwantowe nie jest efektem trwałym, gdyż takie własności  są tracone przy dowolnym oddziaływaniu badanego układu z otoczeniem.

Kwantowe stany splątane są podstawą protokołu teleportacji kwantowej, pozwalającej na przekazanie na odległość pełnej informacji o badanym stanie kwantowym przy jednoczesnym przesłaniu jedynie klasycznej informacji w postaci ciągu bitów. Taki protokół przetwarzania informacji kwantowej został po raz pierwszy zrealizowany doświadczalnie w laboratorium Zeilingera we Wiedniu. Ten uczony badał także korelacje pomiędzy układami trzech (i więcej) cząstek kwantowych odkrywając nowy typ stanów kwantowych.    

Wyniki otrzymane przez trójkę tegorocznych noblistów z jednej strony dotyczą podstawowych własności teorii kwantowej, lecz obecnie mają też olbrzymie znaczenie w rozwoju technologii przyszłości. Stany splątane są podstawowym zasobem wykorzystywanym przy realizacji kwantowej kryptografii oraz przy obliczeniach kwantowych. Komputer kwantowy, pozwalający wykonywać obliczenia szybciej niż  komputer klasyczny, może przetwarzać równolegle informację zakodowaną w superpozycji wielu stanów, a podstawą licznych algorytmów kwantowych są właśnie stany splatane.

Tegoroczną nagrodę można potraktować jako wyraz uznania dla całego środowiska badaczy pracujących nad praktycznymi zastosowaniami teorii kwantowej. W tym kontekście miło jest podkreślić prężny rozwój kwantowej informacji w Polsce. W Sopocie działa Krajowe Centrum Informatyki Kwantowej założone w roku 2007 przy Uniwersytecie Gdańskim z inicjatywy prof. Ryszarda Horodeckiego, autora fundamentalnych prac poświęconych własnościom stanów splątanych. Centrum zrzesza 13 ośrodków akademickich w Polsce zainteresowanych tą tematyka badawczą, i organizuje corocznie Sympozja. W listopadzie 2021, w ramach Sesji imienia Romana S. Ingardena, jednego z twórców podstaw informacji kwantowej, nestora toruńskiej fizyki teoretycznej,  Ingarden Memorial Lecture pod tytułem From Einstein photon to quantum information: wave-particle duality in action wygłosił prof. Alain Aspect. Dzięki powołaniu w Gdańsku, Warszawie i Krakowie grup badawczych specjalizujących się w teorii informacji kwantowej możemy mieć nadzieję, że do powstania nowych technologii kolejne cegiełki dorzucą także uczeni z Polski.

Polecamy również
Nobel z chemii "kliknięty"
Nobel z chemii "kliknięty"
Tydzień Noblowski 2022 - komentarze
Tydzień Noblowski 2022 - komentarze
Pierwsze standardy kryptografii postkwantowej
Pierwsze standardy kryptografii postkwantowej
Pierwsze „poważne” zdjęcia z Teleskopu Webba już we wtorek, 12.07. [komentarz]
Pierwsze „poważne” zdjęcia z Teleskopu Webba już we wtorek, 12.07. [komentarz]