Alain Aspect, John Clauser i Anton Zeilinger zostali laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2022. Trio zwyciężyło „za eksperymenty ze splątanymi fotonami, stwierdzenie naruszenia nierówności Bella i pionierską naukę o informacji kwantowej”.
Nagroda zostanie wręczona w grudniu w Sztokholmie, a jej wartość wynosi 10 milionów koron (900,000 XNUMX dolarów). Zostanie ona rozdzielona równo pomiędzy zwycięzców.
Pracując niezależnie, trzej laureaci przeprowadzili kluczowe eksperymenty, które ustaliły kwantową właściwość splątania. To ciekawy efekt, w którym dwie lub więcej cząstek wykazuje znacznie silniejsze korelacje, niż jest to możliwe w fizyce klasycznej. Splątanie odgrywa ważną rolę w komputerach kwantowych, które w zasadzie mogą w niektórych zadaniach przewyższać komputery konwencjonalne.
Nierówność Bella
We wszystkich trzech eksperymentach mierzono naruszenia nierówności Bella, co ogranicza korelacje, które można zaobserwować w układzie klasycznym. Takie naruszenia są ważną prognozą teorii kwantowej.
Pierwszy eksperyment przeprowadził w 1972 roku na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley Clauser, który zmierzył korelacje pomiędzy polaryzacjami par fotonów powstałych podczas przejścia atomowego. Pokazał, że została naruszona nierówność Bella – co oznaczało, że pary fotonów uległy splątaniu.
Eksperyment ten miał jednak kilka niedociągnięć lub „luk”, co czyniło go niejednoznacznym. Możliwe jest na przykład, że wykryte fotony nie były odpowiednią próbką wszystkich fotonów emitowanych przez źródło – co stanowi lukę w wykrywaniu. Możliwe jest również, że niektóre aspekty eksperymentu, które uważa się za niezależne, zostały w jakiś sposób powiązane przyczynowo – co stanowi lukę w zakresie lokalizacji.
Dziesięć lat później, w 1982 roku, Aspect i współpracownicy z Université Paris-Sud w Orsay we Francji udoskonalili eksperyment Clausera, stosując dwukanałowy schemat detekcji. Pozwoliło to uniknąć przyjmowania założeń na temat wykrytych fotonów. Zmieniali także orientację filtrów polaryzacyjnych podczas pomiarów. Ponownie odkryli, że nierówność Bella została naruszona.
Trzecia luka
Luka lokalna została zamknięta w 1998 roku przez Zeilingera i współpracowników z Uniwersytetu w Innsbrucku w Austrii. Do wyznaczenia kierunków pomiarów fotonów wykorzystali dwa w pełni niezależne kwantowe generatory liczb losowych. W rezultacie w ostatniej chwili zdecydowano o kierunku pomiaru polaryzacji każdego fotonu, tak aby żaden sygnał poruszający się wolniej niż prędkość światła nie był w stanie przekazać informacji na drugą stronę przed zarejestrowaniem fotonu.
Oprócz potwierdzenia fundamentalnych przewidywań mechaniki kwantowej, trzy eksperymenty położyły podwaliny pod rozwój nowoczesnych technologii kwantowych.
W przemówieniu na konferencji prasowej po ogłoszeniu nagrody Zeilinger powiedział, że był „bardzo zaskoczony” telefonem od Komitetu Noblowskiego. „Ta nagroda stanowi zachętę dla młodych ludzi i nie byłaby możliwa, gdyby nie ponad 100 młodych ludzi, którzy pracowali ze mną przez lata. Sam nie byłbym w stanie tego osiągnąć.”
Zeilinger wyraził także nadzieję, że nagroda zachęci młodych badaczy.
„Moja rada dla młodych ludzi brzmi: rób to, co uważasz za interesujące i nie przejmuj się zbytnio możliwymi zastosowaniami. Z drugiej strony to uznanie jest bardzo ważne dla przyszłego rozwoju możliwych zastosowań. Ciekaw jestem, co zobaczymy za następne 10–20 lat.
Głęboki wpływ
Sheila Rowan, prezes Instytutu Fizyki, który publikuje Świat Fizyki, pogratulował trio „zasłużonego” uznania. „Jest to dziedzina fizyki o ciągłym, głębokim wpływie na poziomie podstawowym, która pomaga zrozumieć otaczający nas świat i która jest obecnie badana pod kątem zastosowania w wysoce nowatorskich technologiach wykrywania i komunikacji” – dodała.
Fizyk kwantowy Artura Ekerta z Uniwersytetu Oksfordzkiego mówi, że choć „jest szczęśliwy”, widząc tę dziedzinę i trio wyróżnione tegoroczną Nagrodą Nobla, dodaje, że „szkoda”, że John Bell, który sformułował nierówności, pominął tę kwestię, biorąc pod uwagę, że zmarł w 1990 r., a Nagrody Nobla nie są przyznawane pośmiertnie.
Ekert dodaje, że pojawienie się kryptografii kwantowej dostarczyło dodatkowej motywacji do maksymalnego wykorzystania eksperymentów z nierównościami Bella. „Z punktu widzenia nauki uważam, że eksperymenty Bella dotyczące nierówności po prostu należało przeprowadzić — obalają one określony pogląd na świat i dlatego są ważne” – dodaje Ekert. „Naprawienie wszystkich luk w takich eksperymentach to inna historia. Jest to prawdopodobnie ważniejsze z punktu widzenia kryptografii kwantowej, ponieważ jeśli chcemy wykorzystać nierówności Bella do wykrywania podsłuchu, musimy załatać luki.”
Rzeczywiście, gratulacje napłynęły także od tych, którzy próbują wykorzystać prace Aspecta, Clausera i Zeilingera do zastosowań praktycznych. We wspólnym oświadczeniu Ilyas Khan i Tony Uttley, odpowiednio dyrektor naczelny i prezes firmy zajmującej się technologią kwantową Quantinium, zauważyli, że byli zachwyceni” ogłoszeniem.
„To uznanie mocy kwantowych systemów informacyjnych jest aktualne pod wieloma względami, ale przede wszystkim jest wspaniałym potwierdzeniem faktu, że postępy eksperymentalne stanowią podstawę rewolucji w technologiach kwantowych, którą rozpoczynamy”.
Życie w nauce
Aspect urodził się 15 czerwca 1947 r. w Agen we Francji. Zdał „agrégation” – krajowy egzamin z języka francuskiego – z fizyki w 1969 r., a dwa lata później uzyskał tytuł magistra na Université d'Orsay. Następnie rozpoczął doktorat w Orsay, pracując nad eksperymentalnymi testami nierówności Bella, które ukończył w 1983 roku.
Po wykładzie w Ecole Normale Supérieure de Cachan, którą Aspect prowadził w czasie doktoratu, w 1985 roku pracował w Collège de France w Paryżu. W 1992 roku przeniósł się następnie do Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique na Université Paris-Saclay.
Clauser urodził się 1 grudnia 1942 r. w Pasadenie w Kalifornii. Stopień licencjata z fizyki uzyskał w California Institute of Technology w 1964 r., a tytuł magistra z fizyki dwa lata później. W 1969 roku uzyskał stopień doktora fizyki na Uniwersytecie Columbia.
Od 1969 do 1975 Clauser był pracownikiem naukowym w Lawrence Berkeley National Laboratory, a od 1975 do 1986 pracował w Lawrence Livermore National Laboratory. Po pracy na stanowisku starszego naukowca w amerykańskiej firmie Science Applications International Corporation, w 1990 r. przeniósł się na Uniwersytet Kalifornijski w Berkeley, gdzie pracował do 1997 r., gdzie następnie skupił się na swojej firmie badawczo-doradczej JF Clauser & Associates.
Anton Zeilinger: pionier kwantowy
Zeilinger urodził się 20 maja 1945 r. w Ried im Innkreis w Austrii. W 1963 r. rozpoczął studia z zakresu fizyki i matematyki na Uniwersytecie Wiedeńskim, a w 1971 r. obronił doktorat z fizyki atomowej. Następnie pracował w Instytucie Atomowym w Wiedniu do 1983 r., po czym rozpoczął studia na Politechnice Wiedeńskiej.
W 1990 r. Zeilinger przeniósł się na Uniwersytet w Innsbrucku, a w 1999 r. pracował na Uniwersytecie Wiedeńskim, gdzie w latach 2004–2013 został także dyrektorem wiedeńskiego Instytutu Optyki Kwantowej i Informacji Kwantowej. W 2013 r. pełnił funkcję prezesa Akademii Austriackiej nauk ścisłych, które to stanowisko piastował do tego roku.
