Decyzją Komitetu Noblowskiego nagrodę otrzymali Alain Aspect (Francja), John Clauser (USA) i Anton Zeilinger (Austria) za przełomowe doświadczenia optyki kwantowej! https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2022/press-release/
Szczególnie gratulujemy profesorowi Aspectowi, który w seszłym roku wygłosił wykład na sesji Romana Ingardena organizowanej przez KCIK.
Nagrodę przyznano 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 superpozycję dwóch stanów klasycznych. Jeszcze ważniejsze jest istnienie kwantowych stanów splątanych opisujących układ złożony z dwóch części, które wykazują doskonałe korelacje pomiędzy wynikami pomiarów zarejestrowanych w obu podukładach.
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.
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 krótkiego 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 z drugiej mają 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 splątane.
Tegoroczną nagrodę można potraktować jako wyraz uznania dla całego środowiska badaczy pracujących nad praktycznymi zastosowaniami teorii kwantowej. W tym kontekście miło jest podkreślić udział polskich uczonych w rozwoju tej dziedziny. Nazwiska dwóch absolwentów uczelni krakowskich dobrze znane są na całym świecie. Wojciech Żurek (magister inżynier AGH, 1974), obecnie pracujący w Los Alamos (USA), jest autorem doniosłego twierdzenia o niemożności klonowania nieznanego stanu kwantowego, w konsekwencji którego, użytkownik systemu kwantowego szyfrowania może sprawdzać, czy ktoś nie próbował podsłuchać przekazywanych informacji. A autorem takiego protokołu szyfrowania informacji z wykorzystaniem kwantowych stanów splątanych jest Artur Ekert (magister UJ, 1984), profesor fizyki na uniwersytecie w Oxfordzie.
Badania nad informacją kwantową już od wielu lat są prężnie prowadzone w Polsce. W roku 1993 Marek Żukowski, Artur Ekert wraz z Michaelem Horne i Antonem Zeilingerem w artykule opublikowanym w Phys. Rev. Lett. zaproponowali nowartorski wariant doświadczenia z dwoma parami splątanych fotonów testujący podstawy teorii kwantowej, a rok później Ryszard Horodecki w pracy w Phys. Lett. A przedstawił analizę korelacji w układach kwantowych z punktu widzenia teorii informacji. Z jego inicjatywy w roku 2007 powstało Krajowe Centrum Informatyki Kwantowej, działające przy Uniwersytecie Gdańskim. Obecnie Centrum zrzesza 12 ośrodków akademickich w Polsce zainteresowanych tą tematyka badawczą organizując corocznie Symposium on Quantum Information.
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. Od kilku lat działają w kraju duże zespoły badawcze specjalizujące się w teorii informacji kwantowej: International Centre for Theory of Quantum Technologies (ICTQT) w Gdańsku oraz Centre for Quantum Optical Technologies (QOT) w Warszawie, których osiagięcia są już znane w świecie.
Karol Życzkowski
(Instytut Fizyki Teoretycznej UJ, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN)
(wypowiedz opublikowana w Tygodniku Polskiej Akademii Umiejętności PAUza, Nr 614 Kraków, 6 października 2022)