Nagroda Nobla z fizyki w 2022 roku została przyznana Alainowi Aspectowi, Johnowi F. Clauserowi i Antonowi Zeilingerowi. O tym, dlaczego właśnie tym naukowcom, czym są stan splątania kwantowego i nierówności Bella, a także jaki jest wkład polskich naukowców do kwantowej teorii informacji rozmawiają prof. dr hab. Karol Życzkowski z Instytutu Fizyki Teoretycznej UJ oraz dr hab. Szymon Pustelny, prof. UJ z Instytutu Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego UJ.
Tegoroczna Nagroda Nobla z fizyki została przyznana za eksperymenty ze splątanymi fotonami, dowodzące łamania nierówności Bella oraz pionierski wkład w kwantową teorię informacji. Co to właściwie znaczy?
Prof. dr hab. Karol Życzkowski: W tym roku Nagrodą zostały wyróżnione prace doświadczalne dotyczące podstaw mechaniki kwantowej. Z jednej strony pokazują one, jak świat jest zbudowany i jaka teoria jest konieczna, żeby go opisać. Wykazują na przykład nielokalność teorii kwantowej, która znaczy, że na wynik pomiaru realizowanego w naszym laboratorium może mieć wpływ - co wydaje się nieprawdopodobne - wynik podobnego doświadczenia przeprowadzonego np. w Warszawie. Z drugiej strony badania te mają olbrzymi potencjał aplikacyjny w takich nowych dziedzinach jak kwantowa teoria informacji czy kryptografia kwantowa.
Dr hab. Szymon Pustelny, prof. UJ: Nagrodzona tematyka i zagadnienie nielokalności ma swoją bardzo długą historię i sięga samych początków mechaniki kwantowej. Problem z tym, czy mechanika kwantowa rzeczywiście może być nielokalna budził niezmiernie dużo kontrowersji, a jedną z osób, która miała z tym problem, był Albert Einstein, mimo że sam miał wkład w rozwój tej teorii.
KŻ: Właśnie. Einstein był autorem słynnej opublikowanej w 1935 roku pracy, w której sformułował paradoks, który dziś nazywamy „paradoksem EPR” od nazwisk autorów Einsteina, Podolsky’ego i Rosena., Autorzy tej pracy zwrócili uwagę, że teoria kwantowa jakby dopuszcza - albo raczej nie zabrania - istnienia takich stanów, między którymi istnieją silne korelacje i to niezależnie od tego, czy dotyczą one obiektów znajdujących się koło siebie, czy też oddalonych od siebie o miliony kilometrów.
SP: Tyle tylko, że autorzy nie tyle chcieli udowodnić istnienie takich stanów, co dowieść, że ich istnienie sprawia, że mechanika kwantowa jest niepoprawna. Ich zdaniem istnienie takich stanów, zwanych dziś stanami splątanymi, wiązałoby się z pojawieniem się „dziwacznych oddziaływań na odległość”. Dziwaczne w tym oddziaływaniu było to, że rozchodziłoby się ono w przestrzeni z nieskończoną prędkością. I to właśnie ta właściwość miała poddawać w wątpliwość całą mechanikę kwantową. Ponieważ przeczyłoby to Szczególnej Teorii Względności, której Einstein był twórcą, oddziaływanie takie nie istnieje, a mechanika kwantowa jako teoria jest niekompletna, żeby nie powiedzieć, że zła.
KŻ: Tymczasem dziś wiemy, że stany splątane istnieją, a coś co miało być argumentem przeciw mechanice kwantowej, jest jednym z najważniejszych argumentów za nią. Warto tu wspomnieć Johna Bella, który w latach sześćdziesiątych rozpoczął analizę teoretyczną stanów splątanych i zwrócił uwagę, że gdyby próbować opisać je z punktu widzenia teorii lokalnych, takich jak mechanika klasyczna, dałoby się ściśle wykazać pewne nierówności pomiędzy korelacjami różnych własności cząstek. Jeżeli korelacje istnieją, to stosując przykład z dnia codziennego: przy rzucie dwoma monetami zawsze wypadają dwie reszki albo dwa orły, ale nigdy nie zdarza się, że na jednej z monet wypadła reszka, a na drugiej orzeł. Tak samo można zrobić z wynikami w eksperymentach fizycznych. Bell dowiódł, że gdyby korelacje spełniały pewne nierówności mechanika kwantowa byłaby lokalna, czyli w tej formie w której istniała wcześniej byłaby niepoprawna.
SP: Bell wyprowadził swoje nierówności na bazie teoretycznej. Natomiast musiało minąć kilka lat, żeby znaleźli się naukowcy, którzy podjęli próbę zmierzenia tych nierówności. W 1972 roku Alain Aspect i John Clauser, wraz z nieżyjącym już dzisiaj Stuartem Friedmanem, przeprowadzili w piwnicy Wydziału Fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley eksperyment, który dowodził, że rzeczywiście te nierówności nie są spełnione. Tyle tylko, że sam eksperyment obarczony był pewnymi założeniami. Zakładał on m.in. idealność detektorów, dlatego wciąż dla wielu nie był ostatecznym dowodem nielokalności mechaniki kwantowej. Niemniej jednak był to pierwszy doświadczalny sygnał, że z tą lokalnością mechaniki kwantowej jest inaczej niż w klasycznych teoriach. Pełnej weryfikacji nierówności Bella dokonano dopiero w kolejnych eksperymentach.
KŻ: Warto podkreślić (Szymon jest z Zakładu Fotoniki), że doświadczenia te były przeprowadzone na fotonach, np. poprzez badanie polaryzacji fotonów pary fotonów emitowanych w tym samym procesie w przeciwne strony.
SP: Prace Clausera i Aspecta miały fundamentalny wpływ na badanie łamania nierówności Bella i są dziś koronnym dowodem nielokalności mechaniki kwantowej.
KŻ: Warto może wspomnieć, że stany splątane, które wykazują te kwantowe korelacje między wynikami pomiarów, nie tak łatwo wytworzyć, a do tego są one nietrwałe. Szybko tracą one swoje nielokalne własności na skutek oddziaływania z otoczeniem.
SP: Sam Aspect w kolejnych latach rozwijał badania, które dały początek niezmiernie ważnej dziedzinie, jaką jest optyka kwantowa. To taka optyka, w której wykorzystuje się pojedyncze fotony i bada się ich właściwości. Przez ostatnie półwiecze przeprowadził on cały szereg niezwykle istotnych eksperymentów, które w konsekwencji pozwoliły na rozwój tej dziedziny. Warto wspomnieć, że miał on także istotny wkład w rozwój innej gałęzi fizyki – optyki atomowej – poprzez swoje badania nad ultrazimnymi gazami, tj. tematyką która już wielokrotnie nagradzana była Nagrodą Nobla. Układy takie są niezwykle ciekawe, bo mimo ich makroskopowych rozmiarów wykazują właściwości mechaniki kwantowej, które normalnie manifestują się tylko w mikroskali.
KŻ: Właśnie. Siedzimy w Zakładzie Optyki Atomowej, gdzie od kilkudziesięciu lat prowadzone są badania oddziaływania światła, a więc fotonów, z materią, czyli atomami czy molekułami. To właśnie połączenie takich badań z mechaniką kwantową dało impuls do rozwoju informatyki kwantowej, kiedyś niszowej teorii. I tu dochodzimy do trzeciego laureata – Antona Zeilingera. To właśnie on jako pierwszy wykorzystał stany splątane do zademonstrowania tzw. teleportacji kwantowej. Z książek i filmów science-fiction wiadomo, że teleportacja polega na tym, że jakaś rzecz znika w jednym miejscu i pojawia się w innym, np. oddalonym o sto metrów pokoju Szymona. Trzeba sobie jednak jasno powiedzieć, że taka teleportacja nie jest możliwa. Okazuje się jednak, że teleportacja kwantowa istnieje. Polega ona na tym, że pewien nieznany nam początkowo stan kwantowy znika w jednym miejscu i przenoszony jest w inne miejsce. Zanim jednak prześlemy pomiędzy dwiema miejscami informację klasyczną, np. przez ciąg impulsów światła, nie wiemy, jaki stan udało nam się teleportować.
Zeilinger był jednym z pierwszych, który na poważnie zajął się tą dziwną koncepcją. Już wcześniej w swoim laboratorium umiał wytwarzać stany splątane, a te konieczne są do przeprowadzenia teleportacji kwantowej. W swoim laboratorium, prowadząc do oddziaływania jednej, znajdującej się blisko siebie pary fotonów, przeniósł stan splątany na inną. Obecnie takie stany splątane przesyłane są na odległość ponad stu, a nawet tysięcy kilometrów. Przykładem tego ostatniego jest przesłanie stanu kwantowego na satelitę, czego akurat ostatnio dokonali Chińczycy.
SP: Powiedzieliśmy o badaniach Zeilingera, które coraz bardziej zdają się mieć praktyczne zastosowanie. W tym sensie przyznana mu nagroda ma spełniać zapis woli fundatora, który chciał, żeby oprócz wartości naukowej nagradzane badania miały aspekt praktyczny.
KŻ: Bo z jednej strony są to bardzo ciekawe doświadczenia, które pokazują kwantową naturę mikroświata, ale z drugiej mają niezwykłe znaczenie dla rozwoju współczesnych technologii kwantowych, jak właśnie obliczenia kwantowe, komputery kwantowe, także kwantowe szyfrowanie czy komunikacja.
Jaki jest wkład polskich naukowców do kwantowej teorii informacji?
SP: Generalnie Polska bardzo dobrze stoi, jeśli chodzi o badania nad informacją kwantową. Prócz obecnego tu prof. Życzkowskiego jest też bardzo znana rodzina Horodeckich z Gdańska czy naukowcy pracujący w Poznaniu, Warszawie, Wrocławiu, Łodzi, Katowicach czy Gliwicach. Dynamicznie rozwijane są też badania doświadczalne. W Krakowie prowadzone są badania nad wytwarzaniem, manipulacją i detekcją stanów kwantowych. Świetne doświadczalne grupy można też znaleźć w Warszawie i Toruniu.
KŻ: My w Krakowie mamy z jednej strony dość silną grupę, która zajmuje się także teorią… komputerów kwantowych to trochę za dużo powiedziane, ale teorią kwantowej korekcji błędów czy nad algorytmami kwantowymi. A z drugiej strony - jak powiedział Szymon - są prowadzone prace doświadczalne. Oczywiście w tym momencie komputera kwantowego jeszcze w Polsce nie zbudujemy, ale staramy się przyczynić do tego, żeby lepiej zrozumieć, co można ulepszyć i w jaką stronę należy się udać, aby takie na razie prototypowe modele komputerów kwantowych niedługo przerodziły się w pełnosprawne urządzenia.
Może warto jeszcze dodać o naszych kolegach pochodzących z Polski obecnie pracujących za granicą. Jednym z nich jest absolwent Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, Wojciech Żurek, który od wielu lat pracuje w Stanach Zjednoczonych. Jego prace są kluczowe dla teorii i informacji kwantowej, a także innych aspektów mechaniki kwantowej. Protokół szyfrowania informacji kwantowej, a w zasadzie przekazywanie klucza do szyfrowania, który wykorzystuje informację kwantową, wymyślił Artur Ekert, który jest magistrem Uniwersytetu Jagiellońskiego.