Nobelova nagrada za fiziko 2022

Nobelov teden se nadaljuje z razglasitvijo prejemnika nagrade za fiziko, ki jo letos prejmejo fiziki Alain Aspect, John F. Clauser in Anton Zeilinger za eksperimente s prepletenimi fotoni, ki so dokazali kršitve Bellove neenakosti in postavili temelje kvantne informatike. Kraljeva švedska akademija znanosti priznanju doda še 10 milijonov kron nagrade, ki si jo prejemniki razdelijo.

Kvantna prepletenost je zanimiv fenomen v kvantni mehaniki, ki je ob odkritju znanstvenike močno begal. Če so delci kvantno prepleteni, si delijo stanje, četudi so daleč vsaksebi. Meritev stanja enega izmed delcev nam takoj razkrije tudi informacijo o stanju drugega delca, ki je lahko tudi svetlobna leta daleč. Einstein je to svoj čas označil kot zlovešče delovanje na daljavo (spukhafte Fernwirkung) in tudi številni drugi znanstveniki so imeli konceptualne težave s sprejetjem dejstva, da kvantna prepletenost obstaja. Schrödinger jo je po drugi strani označil kot ključno sestavino kvantne mehanike.

Da ob meritvi stanja enega kvantno prepletenega delca izvemo nekaj tudi o njegovem partnerju, se na prvi pogled ne zdi posebej neverjetnost. Če v makroskopskem svetu v različni smeri pošljemo vročo in hladno kroglico, bomo z meritvijo stanja ene izvedeli tudi, kakšna je druga. Ob tem na daljavo nismo prenesli nobene informacije, zato to ni v nasprotju s teorijo relativnosti kot omejitvijo hitrosti prenosa informacije v vesolju. A kvantni delci so posebni v tem pogledu, da stanja nimajo (ga ne zavzamejo), dokler jih z meritvijo ne prisilimo v to. Dotlej obstajajo v superpoziciji več stanj. To pa pomeni, da meritev stanja enega delca avtomatično določi tudi stanje drugega delca, ki je lahko na drugem koncu vesolja. To je Einstein označil kot zlovešče delovanje na daljavo.

Problem se zdi enostavno rešljiv. Morda je naš opis sveta s kvantno mehaniko nepopoln, ko govorimo o tem, da delec nima stanja, dokler ga z meritvijo ne prisilimo v izbiro. Z drugimi besedami, morda obstajajo skrite spremenljivke, ki jih ne poznamo, a že ves čas določajo, katero stanje bo delec pokazal ob meritvi. Vprašanje se zdi filozofsko - je drevo padlo, dokler tega ni nihče opazil? Površno bi dejali, da je vseeno, a to ne drži. John Steward Bell si je izmisli eksperiment, ki je doživel več variacij, kako to preveriti. Izvesti je možno eksperiment, ki nedvoumno pokaže, ali imajo kvantni delci skrite spremenljivke (in torej nič naključnosti) ali pa stanje res zavzamejo šele ob meritvi ni to ni eksplicitno napovedljivo (lahko pa vnaprej poznamo verjetnosti, torej dogajanje v ansamblu delcev). Eksperimenti so pokazali, da je Bellova neenakost drži - svet nima skritih spremenljivk, svet je naključen.

John Clauser se je z Bellovo neenakostjo ukvarjal že v 60. letih kot študent in kasneje je s tremi raziskovalci predlagal realistični eksperiment, ki bi jo preveril. Leta 1972 je z meritvami parov kvantno prepletenih fotonov neizpodbitno dokazal, da je Bellova neenakost kršena. Svet ni popolnoma predvidljiv. Eksperiment je imel nekaj pomanjkljivosti, ki pa jih je kasneje odpravil Alain Aspect. Izboljšal je način za vzbujanje atomov, tako da so izsevali več prepletenih fotonov. Prav tako je izpopolnil način, s katerim je preprečil, da bi sistem oddajal kakšne informacije, ki bi lahko vplivale na meritve.

V kvantnem svetu lahko s prepletenimi delci naredimo kup bizarnih eksperimentov. Eden izmed njih je kvantna teleportacija, s katero prenesemo (sicer nepoznano) stanje na tretji delec. To je edini način za popoln prenos kvantne informacije, ki med drugim uniči informacijo na viru (kvantno kloniranje ni mogoče). Ni izvedjivo, da bi izmerili vse o kvantnem delcu in to prekopirali na novega, saj bi s tem nepovratno spremenili in uničili superpozicijo stanj. Kvantni teleport je edina možnost. Prvi je tak eksperiment izvedel Anton Zeilinger. Kasneje je eksperiment nadgradil in pokazal, kako lahko postaneta prepletena delca, ki se nista nikoli srečala.

Danes se kvantno prepleteni delci uporabljajo za kvantno komunikacijo. Ta v prihodnosti obljublja absolutno varen prenos podatkov, kjer bo vsako prisluškovanje takoj razkrito, varnejše šifriranje in tudi zgolj daljnosežnejše komunikacije. Kvantna omrežja in kvantni ojačevalniki uporabljajo tehnologijo, ki so jo nagrajenci odkrili in izpolnili za rokovanje s kvantno prepletenimi delci.