Dr hab. Demkowicz-Dobrzański o Nagrodzie Nobla 2022 w dziedzinie fizyki

Amerykanin John F. Clauder, Austriak Anton Zeilinger i Francuz Alan Aspect zajmowali się eksperymentami ze splątanymi fotonami, ustalaniem naruszania nierówności Bella i pionierską informatyką kwantową. Opracowanie narzędzi eksperymentalnych przez laureatów fizyki z 2022 r. położyło podwaliny pod nową erę technologii kwantowej. Możliwość manipulowania i zarządzania stanami kwantowymi i wszystkimi ich warstwami właściwości daje nam dostęp do nowych narzędzi.

Eksperci z Centrum Współpracy i Dialogu Uniwersytetu Warszawskiego jeszcze przed ogłoszeniem wyników wspominali o doświadczalnym łamaniu tzw. nierówności Bella, jako ważnym kierunku badań fizyki. Pośród nazwisk wymienionych wówczas naukowców padał Anton Zeilinger oraz Alan Aspect.

Wśród istotnych odkryć na polu fizyki, które warte byłyby uhonorowania nagrodą Nobla, warszawscy fizycy wymieniali również teorię fal grawitacyjnych, anomalie kwantowe oraz teorię względności. Odkrycia związane z tą ostatnią zwróciły co prawda uwagę Szwedzkiej Akademii Nauk, jednak czysta teoria nie została nagrodzona. W tym roku komitet uznał, że to właśnie odkrycia mechaniki kwantowej zostaną wyróżnione nagrodą:

Fizyka kwantowa jest to dynamicznie rozwijająca się dziedzina fizyki, która poszerzyła granice naszej wiedzy i ma potencjalne zastosowanie w komputerach kwantowych, technologii sensorowe, IT. Jej początki otworzyły przed nami drzwi do nowego świata, podważyły podstawy interpretacji współczesnych pomiarów. To, co uważamy dzisiaj za logiczne, mierzalne, kwantyfikowalne było podważane w dyskusjach filozoficznych. John Bell zmienił filozoficzną debatę w naukę. Dzięki niemu możemy przygotowywać wiarygodne predykcje, żeby na tej podstawie prowadzić eksperymenty. Tegoroczna nagroda Nobla w fizyce nagradza osoby, które odegrały kluczową rolę w tych badaniach. [...] Podjęli wyzwania Bella w laboratoriach.

---

- Przez wiele lat toczyły się dysputy filozoficzne, czy mechanika kwantowa jest pełnym opisem wszechświata czy nie. I Einstein m.in. był zwolennikiem tego, że mechanika kwantowa w niepełny sposób opisuje nasz świat. To jest właśnie ta ślepa uliczka mechaniki kwantowej, w którą wpadliśmy i trzeba z niej wyjść, trzeba zmienić teorię. Przez wiele lat ta dyskusja była bezowocna, gdyż w dużym stopniu była dyskusją filozoficzną. Dopiero w latach 60. John Bell sformułował matematyczne kryterium, które zostały doświadczalnie zmierzone przez nagrodzonych badaczy. W latach 70. Przez Johna Clausera, później w latach 80. Przez Alana Aspecta, a eksperymenty, które wbijają gwóźdź do trumny klasycznej wizji świata były dopiero w 2015 roku i  Anton Zeilinger był jednym z autorów tego eksperymentu. - powiedział tuż po ogłoszeniu wyników prof. dr. hab. Krzysztof Meissner z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

John Clauser zbudował aparat, który emitował jednocześnie dwa splątane fotony, każdy w kierunku filtra, który testował ich polaryzację. Rezultatem było wyraźne naruszenie nierówności Bella i zgadzało się z przewidywaniami mechaniki kwantowej.

Alain Aspect opracował układ, który ma zamknąć ważną lukę. 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.

Anton Zeilinger wraz z zespołem zaprezentował zjawisko zwane teleportacją kwantową, która umożliwia przeniesienie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą na odległość.

Praca Johna Clausera, Alaina Aspecta i Antona Zeilingera już wcześniej została doceniona Nagrodą Wolfa. To wyróżnienie przyznawane przez Fundację Wolfa w Izraelu za wybitne osiągnięcia na rzecz ludzkości i przyjaźni między narodami. Jest przyznawana corocznie od 1978 r. w dziedzinie fizyki, chemii, matematyki, medycyny,  rolnictwa i sztuki. Do 2021 r. nagrodę otrzymało 345 naukowców i artystów. Tegoroczni nobliści z fizyki otrzymali ją w 2010 r.

Poprosiliśmy o komentarz dr. hab. Rafała Demkowicza-Dobrzańskiego, który jest fizykiem kwantowym na Uniwersytecie Warszawskim, gdzie zajmuje się m.in. poszukiwaniem optymalnych sposobów wykorzystania stanów kwantowych światła i materii do zwiększenia precyzji urządzeń pomiarowych.

GW: Panie profesorze, czy nagroda jest dla Pana zaskoczeniem?

Spodziewałem się, że już rok temu dostaną Nobla. Dostawali wcześniej inne nagrody w fizyce m.in. nagrodę Wolfa, która też jest bardzo prestiżowa. Wydawało się, że już muszą dostać tego Nobla. W ubiegłym roku były inne nagrody, ale w tym roku nie jest to zaskoczeniem.

GW: Za co konkretnie wyróżnieni fizycy otrzymali nagrodę Nobla?

Dostali Nobla przede wszystkim za wykonywanie doświadczeń, które pokazały, że mechaniki kwantowej nie można sprowadzić do teorii klasycznej. Nie ma powrotu do obrazu świata jak w XIX wieku, gdzie można było myśleć o świecie jak o takim mechanizmie, gdzie zderzają się kulki, kręcą zębatki i wszystko jest dobrze określone, tj. każdy obiekt ma dobrze określoną prędkość, pęd.

Mechanika kwantowa przyszła znienacka i powiedziała, że to wszystko jest rozmyte. Nie można mieć dobrze określonego położenia czy pędu i dopiero w momencie pomiaru pewne wielkości fizyczne się określają.

Einstein na przykład bardzo tego nie lubił, co fizyka kwantowa wyprawiała z naszym obrazem wszechświata. Bardzo mu zależało na powrocie do obrazu fizyki klasycznej. Te eksperymenty potwierdzają, że tego powrotu nie ma. Musimy przyjąć do wiadomości tę dziwność opisu mechaniki kwantowej, w której pomiar i nasze oddziaływanie z układami fizycznymi jest w pewnym sensie fundamentalne w opisie świata. Nie możemy pomiaru traktować jako takiego podglądania, zaglądania do garnka, podnoszenia pokrywki, które w żaden sposób nie oddziałuje z tym układem fizycznym, ale każdy pomiar w fizyce jest ingerencją w ten układ, jest oddziaływaniem z tym układem, które powoduje, że ten układ dopiero dookreśla swoje własności, zmienia swój stan.

GW: Dlaczego jest to ważne z naszego punktu widzenia?

W dzisiejszych czasach miniaturyzacja postąpiła tak daleko, że elementy elektroniczne w komputerach schodzą do poziomu rozmiarów dziesiątek czy setek atomów. Rozwój technologii prowadzi do tego, że dochodzimy do coraz większej miniaturyzacji, na poziom coraz bliższy poziomu kwantowego i poziomu wręcz pojedynczych atomów. To oznacza, że własności tych atomów są coraz ważniejsze dla działania urządzeń elektronicznych.

Własności kwantowe zazwyczaj nam przeszkadzają, ale cały rozwój tzw. technologii kwantowych bazuje na tym, żeby teraz wykorzystać te własności kwantowe i użyć, żeby np. wykonywać obliczenia szybciej (idea komputerów kwantowych), czy żeby rozsyłać wiadomości w bezpieczny sposób (idea kryptografii kwantowej, która jest najbliżej związana z dzisiejszą nagrodą Nobla). Kryptografia kwantowa pozwala stwierdzić np. czy ktoś podsłuchiwał rozmowę. Gdyby tak było, pomiar zostawiłby ślad. Czegoś takiego w świecie klasycznym nie ma.

GW: Jakie kolejne ważne wyzwania stoją przed fizyką kwantową?

Teraz jest gigantyczny rozwój w dziedzinie technologii kwantowych. To dziedzina, która ma swoje sukcesy, ale nie są one jeszcze na takim poziomie, żeby można było to komercyjnie wykorzystać.

Poza tym najnowsze odkrycia powodują, że wiemy, że nie ma powrotu do opisu klasycznego świata. Jeśli chcemy dalej rozwijać teorie, to musimy iść w kierunku opisu, który nam podsuwa mechanika kwantowa. To ważna wskazówka dla kolejnych badań i dla dalszego rozwoju fizyki.