NCU News
Exact sciences
Noblowskie eksperymenty ze splątanymi fotonami
Trwa tydzień noblowski. Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Alain Aspect, John F. Clauser oraz Anton Zeilinger. Zawiłości badawczych dociekań tegorocznych laureatów wyjaśnia prof. dr hab. Dariusz Chruściński, kierownik Katedry Fizyki Matematycznej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK.
Tegorocznych laureatów uhonorowano za "eksperymenty ze splątanymi fotonami, wykazanie łamania nierówności Bella i pionierski wkład w informatykę kwantową".
- Wyniki ich pracy utorowały drogę dla nowej technologii, opartej na informacji kwantowej – uzasadniali członkowie Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk.
Fundamenty fizyki kwantowej
- Komisja Noblowska doceniła wkład laureatów w zrozumienie fundamentalnych aspektów fizyki kwantowej – tłumaczy prof. dr hab. Dariusz Chruściński, kierownik Katedry Fizyki Matematycznej na Wydziale Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK. - Prawa fizyki klasycznej doskonale opisują np. ruch piłki tenisowej czy też zachowanie planet. Całkowicie zawodzą natomiast w skali atomowej. Fizyka kwantowa, wymyślona 100 lat temu, wprowadziła zupełnie nowe prawa i nowy opis zjawisk fizycznych. Zastosowanie praw kwantowych do mikroświata pozwoliło zrozumieć strukturę atomów i molekuł. Co więcej, przewidywania teorii były fantastycznie zgodne z eksperymentami. Rozpoczął się wtedy zupełnie nowy rozdział w fizyce nazywany czasami "kwantową rewolucją".
Prof. Chruściński przypomina, że pod koniec XIX w. wielu fizyków uważało, iż "gmach fizyki" jest właściwie ukończony. Okazało się, że nie tylko nie jest ukończony, ale trzeba zbudować zupełnie nową fizykę. Sukces nowej teorii był spektakularny. Tym niemniej zaczęły pojawiać się pytania natury bardziej filozoficznej. Jak rozumieć nową teorię (posługiwała się zupełnie nowym językiem) i co ona tak naprawdę oznacza?
Jedną z konsekwencji teorii kwantowej jest zupełnie nowy rodzaj korelacji w układach fizycznych. Są to korelacje, których nie można wytworzyć w świecie obiektów klasycznych – dodaje prof. Chruściński. - Takie czysto kwantowe korelacje objawiają się w kwantowych stanach splątanych. Stany splątane obok kwantowej superpozycji to samo serce fizyki kwantowej.
Serce fizyki kwantowej
Na ich istnienie zwrócił uwagę jeden z twórców fizyki kwantowej Erwin Schrödinger. W 1935 Schrödinger wprowadził nowy termin (niem. "Quantenverschränkung", ang. quantum entanglement), który tłumaczymy jako kwantowe splątanie. W tym samym roku Einstein, Podolsky i Rosen wykazali przedziwne własności takich stanów, które niejako przeczą zdrowemu rozsądkowi. Einstein mówił o "koszmarnym działaniu na odległość" (spooky action at a distance) i uważał, że teoria kwantowa jest niekompletna.
Większość fizyków nie przejmowała się tymi problemami i z ogromnym powodzeniem stosowała prawa kwantowe do opisu rzeczywistości - wyjaśnia prof. Chruściński. - Do tematu kwantowych korelacji powrócił na poważnie John Stewart Bell w latach 60. XX w. Bell wyprowadził pewną matematyczną nierówność, która zawsze jest spełniona w przypadku klasycznych korelacji. Nierówność ta jest oparta na zdroworozsądkowym rozumieniu korelacji. Na jego cześć tego typu nierówności nazywane są nierównościami Bella.
Wkrótce potem John Clauser, Michael Horne, Abner Shimony, oraz Richard Holt, wyprowadzili inny wariant takiej nierówności (nazywanej nierównością CHSH), której dodatkowym walorem jest łatwość weryfikacji eksperymentalnej.
Eksperymenty ze splątanymi fotonami
John Clauser, Amerykanin związany z Lawrence Livermore National Laboratory i University of California w Berkeley, był pierwszym fizykiem, który eksperymentalnie testował nierówności Bella (w wersji CHSH) i wykazał ich łamanie, tzn. istnienie kwantowych stanów splątanych.
- Francuz Alain Aspect w latach 80. ubiegłego wieku przeprowadził całą serię wyrafinowanych eksperymentów potwierdzających łamanie nierówności Bella – tłumaczy prof. Chruściński. - Zaletą eksperymentów Aspecta było usunięcie wielu słabych stron wcześniejszych prób weryfikacji tych nierówności. Z kolei Austriak Anton Zeilinger już w obecnym wieku zasłynął szeregiem eksperymentów wykonanych na splątanych fotonach.
Ill. Niklas Elmehed © Nobel Prize Outreach
Należy podkreślić, że badania laureatów w istotny sposób przyczyniły się do rozwoju kwantowej teorii informacji. Stany splątane, to obecnie nie tylko ciekawostka naukowa, ale podstawa wielu nowoczesnych technologii – mówi prof. Chruściński. - Zeilinger był jednym z pierwszych fizyków, który przeprowadził udane eksperymenty z kwantową teleportacją. Kwantowa teleportacja polega na "teleportowaniu" stanu układu kwantowego (a nie samego układu).
Stany splątane są obecnie wykorzystywane w kwantowej kryptografii, która pozwala na bezpieczne szyfrowanie. Fizycy mówią o "kwantowych zasobach", które pozwalają na bardziej bezpieczne (kryptografia) czy też szybsze i efektywniejsze obliczenia (kwantowy komputer). Kwantowe splątanie to właśnie jeden z takich zasobów.
Wątek toruński
W Instytucie Fizyki UMK prowadzone są badania ściśle związane z badaniami tegorocznych laureatów. Są to zarówno eksperymenty ze splątanymi fotonami prowadzonymi w Katedrze Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej, jak i badania teoretyczne nad własnościami kwantowych stanów splątanych w Katedrze Mechaniki Kwantowej i Katedrze Fizyki Matematycznej.
Warto dodać, że profesor Alain Aspect wygłosił w ubiegłym roku specjalny wykład w Krajowym Centrum Informatyki Kwantowej na Uniwersytecie Gdańskim w czasie sesji poświęconej pamięci profesora Romana Ingardena. Wykład "From Einstein photon to quantum information: wave-particle duality in action" dotyczył wielu aspektów badań Alana Aspecta uhonorowanych tegorocznym Noblem – mówi prof. Chruściński.
Zainteresowani mogą obejrzeć wykład profesora Zeilingera wygłoszony na konferencji "Quantum and Beyond" (Vaxjo, 2018). Wykład dotyczy eksperymentalnych aspektów testowania nierówności Bella.
Prof. dr hab. Dariusz Chruściński jest kierownikiem Katedry Fizyki Matematycznej w Instytucie Fizyki UMK. Zajmuje się matematycznymi aspektami fizyki kwantowej. Tytuł profesora uzyskał w roku 2013. Jest autorem i współautorem blisko 200 publikacji w międzynarodowych czasopismach, cytowanych ponad 5 300 razy, oraz monografii "Geometric Phases in Classical and Quantum Mechanics" napisanej wspólnie z Andrzejem Jamiołkowskim, wydanej w prestiżowej serii "Progress in Mathematical Physics".
