Nobelova nagrada za fiziko 2012

Švedska kraljeva akademija znanosti je danes razglasila prejemnika druge letošnje Nobelove nagrade, in sicer za fiziko. Prestižno odlikovanje prejmeta francoski fizik Serge Haroche in ameriški fizik David J. Wineland za "eksperimentalne metode, ki omogočajo merjenje in manipulacijo posameznih kvantnih sistemov".

Opazovanje kvantnih učinkov je težavno opravilo, saj se ti izkažejo le, kadar delamo z enim ali največ nekaj delci. Kadar imamo opraviti z več delci, se kvantni učinki izpovprečijo in na delu vidimo le še zakone klasične fizike. Dodatno težavo predstavlja občutljivost valovne funkcije, ki se ob poizkusu opazovanja sesede in odpravi kvantno nedoločenost. Haroche in Wineland sta razvila metode, ki omogočajo spremljanje in raziskovanje nekaterih kvantnih učinkov, ki jih pred tem nismo mogli.

Wineland je delal z ioni zemeljskoalkalijskih kovin, ki jih je posamič ulovil s posebnimi pastmi. S kombinacijo statičnih in in dinamičnih elektromagnetnih polj je mogoče posamezne ione uloviti in izolirati od okolice, tako da izkazujejo kvantne efekte. Velik del Winelandovega dela so obsegali laserji, s katerimi je lahko ione umirili ("ohladil"), tako da so se znašli v najnižjem dovoljenem kvantnem elektronskem stanju. Vibracijski način (ki je odvisen do gibanja v pasti) in elektronska sanja (odvisna od lastnega kvantnega stanja iona) so sklopili z absorpcijo in emisijo svetlobe v ramanskih prehodih. Ione so potem lahko opazovali preko sipanja svetlobe, ki se je pojavilo ob laserskem vzbujanju ionov.

Haroche pa se je ukvarjal s fotoni. V laboratoriju v Parizu so fotoni z energijo, ki ustreza mikrovalovom, potovali med dvema zrcaloma, ki sta bili oddaljeni tri centimetre. Ogledali sta zgrajeni iz superprevodnega materiala in ohlajeni na skoraj absolutno ničlo, tako da sta izjemno odbojni. Posamezen fotonom med njima potuje desetinsko sekunde in pri tem opravi več kot 40.000 km, preden se absorbira ali izgubi. Med tem časom so izvedli številne poizkuse. Za meritve so uporabljali Rydbergove atome, ki so jih enega po enega pošiljali med zrcali in opazovali njihovo interakcijo s fotoni. Rydbergovi atomi so prepotovali celotno režo med ogledaloma in jo zapustili, a se je njihovo kvantno stanje ob interakciji s fotoni spremenilo. Na ta način je mogoče meriti lastnosti posameznega fotona, ne da bi ga meritev uničila.

Aplikacije njunega dela so mnogotere. Najbolj očitna je seveda izdelava kvantnega računalnika, ki bi uporabljal princip superpozicije kvantnih stanj (n kubitov omogoča 2ⁿ kvantnih stanj). Na ta način bi bil bistveno hitrejši od klasičnih računalnikov. Winelandova skupina je že prikazala kvantne operacije na dveh kubitih, uspešno pa so manipulirali tudi že z več kubiti. Glavna prepreka pri razvoju sta dva nasprotujoči si zahtevi kvantnih računalnikov - biti morajo izolirani od okolice, da se kvantna stanja ne sesujejo, hkrati pa moramo iz njih nekako dobiti rezultate izračunov. Druga pomembna aplikacija kvantnih odkritij je izdelava zelo natančnih ur, ki so 100-krat natančnejše od trenutnih cezijevih atomskih ur.

Informacije za splošno javnost in znanstveno ozadje.