"Splątany" Nobel z fizyki

Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano w tym roku za "eksperymenty ze splątanymi fotonami, ustalenie naruszenia nierówności Bella i pionierską informatykę kwantową". Każdy z nagrodzonych otrzymał jedną trzecią nagrody wynoszącej 10 milionów koron szwedzkich (około 900 tysięcy dol.).

Tegorocznych laureatów typowano jako kandydatów do nagrody Nobla co najmniej od roku 2010, gdy wszyscy trzej otrzymali izraelską Nagrodę Wolfa w dziedzinie fizyki.

Choć zjawiska dotyczące mechaniki kwantowej trudno wytłumaczyć laikowi, zaczynają znajdować praktyczne zastosowanie. Trwają prace nad kwantowymi komputerami, sieciami kwantowymi, bezpieczną szyfrowaną komunikacją kwantową czy kwantowymi czujnikami tak czułymi, że reagują na pola magnetyczne, generowane podczas aktywacji komórek nerwowych, co pozwoliłoby wcześnie wykrywać choroby neurologiczne.

Do najważniejszych zjawisk wykorzystywanych w rozwoju technologii kwantowych należy tak zwany stan splątany - sposób, w jaki mechanika kwantowa pozwala istnieć dwóm lub większej liczbie cząstek. To, co dzieje się z jedną z cząstek w splątanej parze, decyduje o tym, co dzieje się z drugą cząstką, nawet jeśli są od siebie daleko. To trudne do pojęcia zjawisko, którego nie obserwujemy w codziennym życiu, Albert Einstein nazwał "upiornym oddziaływaniem na odległość" - nie związanym z emisją jakiegokolwiek sygnału i zachodzącym natychmiast, a nie rozchodzącym się z prędkością światła. Z punktu widzenia klasycznej fizyki to niemożliwe.

Przez długi czas naukowcy zastanawiali się, czy obserwowana korelacja wynika z tego, że cząstki w splątanej parze zawierają ukryte zmienne - instrukcje, które mówią im, jaki wynik mają dać w eksperymencie. W latach 60. John Stewart Bell rozwinął matematyczną nierówność, którą nazwano jego imieniem. Wynika z niej, że jeśli istnieją ukryte zmienne, korelacja między wynikami dużej liczby pomiarów nigdy nie przekroczy pewnej wartości. Jednak mechanika kwantowa przewiduje, że pewien rodzaj eksperymentu naruszy nierówność Bella, powodując silniejszą korelację, niż byłaby możliwa w innym przypadku.

John Clauser rozwinął koncepcje Johna Bella, prowadząc do praktycznego eksperymentu z wykorzystaniem spolaryzowanych fotonów, podążających w przeciwnych kierunkach i napotykających filtry polaryzacyjne, przez które - zależnie od swoich właściwości - mogą przechodzić albo nie. Kiedy Clauser wykonał pomiary, wspierały mechanikę kwantową, wyraźnie naruszając nierówność Bella. Oznacza to, że mechaniki kwantowej nie można zastąpić teorią wykorzystującą ukryte zmienne.

Po eksperymencie Johna Clausera pozostały pewne luki, np. dotyczące wpływu ustawień aparatury na wynik eksperymentu. Alain Aspect opracował konfigurację aparatury, wykorzystując ją w sposób, który zamknął jedną z ważnych luk. Był w stanie przełączyć ustawienia pomiaru po tym, jak splątana para opuściła swoje źródło - więc ustawienie, które istniało, gdy były emitowane, nie mogło wpłynąć na wynik.

Korzystając z udoskonalonych narzędzi i długich serii eksperymentów, Anton Zeilinger zaczął wykorzystywać splątane stany kwantowe. Wytwarzał splątane pary fotonów, naświetlając laserem specjalny kryształ, i wykorzystując do przełączania aparatury przypadkowe liczby (podczas jednego z eksperymentów do sterowania ustawieniem filtrów polaryzacyjnych wykorzystano sygnały z odległych galaktyk, by całkowicie wykluczyć zakłócenia). W roku 1997 grupa badawcza Zeilingera wykazała między innymi istnienie zjawiska zwanego teleportacją kwantową, które umożliwia przenoszenie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą na odległość.

"Stało się coraz bardziej jasne, że pojawia się nowy rodzaj technologii kwantowej. Widzimy, że praca laureatów ze stanami splątanymi ma ogromne znaczenie, nawet poza fundamentalnymi pytaniami o interpretację mechaniki kwantowej" - wskazał prof. Anders Irb"ck, przewodniczący Komitetu Noblowskiego.

Alain Aspect urodził się 15 czerwca 1947 w Agen we Francji. Ukończył Ecole Normale Superieure de Cachan. Pracę doktorską obronił w roku 1983 na Paris-Sud University (Orsay, Francja). Aspect do 1994 roku był zastępcą dyrektora Instytutu Optyki Teoretycznej i Stosowanej (SupOptique) w Palaiseau. Jest członkiem Francuskiej Akademii Nauk i Francuskiej Akademii Technologii oraz profesorem Universit, Paris-Saclay i cole Polytechnique w Paryżu.

John F. Clauser urodził się 1 grudnia 1942 w Pasadenie (Kalifornia, USA). Otrzymał tytuł licencjata z dziedziny fizyki z California Institute of Technology, a w 1964 - tytuł magistra fizyki. W 1966 doktoryzował się w roku 1969 na Columbia University (Nowy Jork, USA). W latach 1969-1996 pracował głównie w Lawrence Berkeley National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory i na University of California w Berkeley. W 1972 roku, współpracując ze Stuartem Freedmanem, przeprowadził pierwszą eksperymentalną obserwacja naruszenia nierówności Bella. W latach 1987-1991 zaproponował (i opatentował) interferometry atomowe jako użyteczne ultraczułe czujniki bezwładności i grawitacji. W 1992 roku wraz z Matthiasem Reinschem po raz pierwszy wydedukował własności liczbowo-teoretyczne ułamkowego efektu Talbota i wynalazł interferometr Talbota-Lau. W latach 1990-1997 wraz z Shifangiem Li po raz pierwszy zastosował interferometrię Talbot-Lau do zbudowania interferometru atomowego. W 1998 wynalazł i opatentował zastosowanie interferometrii Talbot-Lau do obrazowanie tkanek miękkich w medycynie rentgenowskiej z kontrastem fazowym. Założył własną firmę, J.F. Clauser & Assoc., Walnut Creek (Kalifornia, USA).

Anton Zeilinger urodził się 20 maja 1945 w Ried im Innkreis w Austrii. Doktorat 1971 na Uniwersytecie Wiedeńskim, Austria. Profesor na Uniwersytecie Wiedeńskim, Austria (wcześniej na uniwersytecie w Innsbrucku). W 2006 otrzymał tytuł doktora honoris causa Uniwersytetu Gdańskiego (współpracuje z prof. Markiem Żukowskim i jego uczniami). Jest laureatem Nagrody Króla Faisala (2005) i nagrody im. Isaaka Newtona (2007).

"Ta nagroda jest zachętą dla młodych. Nie byłaby możliwa bez ponad 100 młodych ludzi, którzy pracowali ze mną przez lata" - podkreślił Zeilinger we wtorek, podczas telefonicznego połączenia na konferencji prasowej, na której ogłoszono nazwiska tegorocznych noblistów.