Kwantowa rewolucja komputerowa

Za eksperymenty z dziedziny optyki kwantowej  i wynalezienie metody obserwacji osobliwych właściwości kwantowego świata Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki  otrzymali  Francuz Serge Haroche i Amerykanin David Wineland.

Pomysłowe metody

Badania laureatów to pierwszy krok na drodze w kierunku budowy superszybkich komputerów i zegarów tak precyzyjnych, o jakich dzisiaj fizycy nie mogą nawet marzyć. „Zegary te mogłyby się stać w przyszłości podstawą nowego standardu czasu" – napisał Komitet Noblowski w uzasadnieniu.

„Laureaci otworzyli drzwi do nowej ery eksperymentów w fizyce kwantowej, prezentując bezpośrednią obserwację pojedynczych cząstek kwantowych bez  ich niszczenia. Badanie właściwości kwantowych było wcześniej nie do pomyślenia, ponieważ pojedyncze cząstki tracą tajemnicze kwantowe właściwości, gdy zetkną się ze światem zewnętrznym".

Obaj zostali docenieni za „pomysłowe metody laboratoryjne", które pozwoliły im na kontrolowanie i mierzenie kruchych stanów kwantowych.

Mechanika kwantowa opisuje świat niewidoczny gołym okiem, gdzie następują zdarzenia sprzeczne z naszymi oczekiwaniami i niezgodne z prawami fizyki klasycznej. Cząstka kwantowa – atom, elektron lub foton – nabiera dziwnych właściwości. Na przykład może być w dwóch miejscach naraz. Ale te własności mogą się natychmiast zmieniać, kiedy wchodzi w interakcje z czymś innym, np. przy próbie obserwacji.

Obaj tegoroczni laureaci urodzeni w 1944 roku, pracują niezależnie od siebie po obu stronach oceanu. Serge Haroche jest profesorem w College de France i Ecole Normale Supérieure w Paryżu, natomiast David Wineland pracuje w Narodowym Instytucie Standardów i Technologii (NIST) w Boulder i na Uniwersytecie w Kolorado.

David Wineland złapał w pułapkę jony – naładowane elektrycznie atomy – i badał ich właściwości, podczas gdy Serge Haroche kontrolował i mierzył lekkie cząstki – fotony.

Zatrzymać cząstki

„Ich rewolucyjne pomysły położyły podwaliny pod nową dziedzinę badań. Pozwoliły na podjęcie pierwszych kroków w kierunku budowy nowego typu superkomputera w oparciu o fizykę kwantową" – podkreśla Komitet Noblowski

– W moich eksperymentach mogę robić rzeczy, które są wykluczone przez prawa fizyki klasycznej – powiedział Serge Haroche agencji AP. – Nasze prace w dziedzinie fizyki kwantowej mogą ostatecznie doprowadzić do skonstruowania niewyobrażalnie szybkich komputerów. Mogą przyczynić się też do powstania satelitarnych systemów nawigacyjnych znacznie bardziej dokładnych niż pracujący dzisiaj GPS.

Prof. Christopher Monroe z Quantum Institute Uniwersytetu Maryland, który współpracował z Davidem Winelandem, potwierdza, że przyznanie nagrody obu tegorocznym laureatom było całkowicie uzasadnione.

– Gdy pracowaliśmy razem w latach 90., dzięki dziwnym właściwościom świata kwantowego byliśmy w stanie umieścić pojedynczy atom w dwóch miejscach jednocześnie – mówi prof. Monroe. – Nie było wtedy jasne, że zatrzymanie atomów może pomóc utorować drogę do superszybkich komputerów kwantowych. Dlatego wszyscy padamy na kolana.

W zwykłym komputerze informacje zawarte są w bitach, z których każdy ma wartość zero lub jeden. Ale w komputerze kwantowym pojedyncza cząstka, zwana qubitem, może mieć wartość zero i jeden jednocześnie. Jeśli naukowcy zdołają takie właściwości wykorzystać, pewne rodzaje obliczeń można będzie wykonywać z oszałamiającą prędkością. Pozwoliłyby one np. na łamanie szyfrów. Komputery kwantowe mogą radykalnie zmienić życie ludzi podobnie jak  komputery klasyczne w XX wieku.

– Od w pełni działającego komputera kwantowego dzielą nas jeszcze dziesięciolecia – przestrzega  Lars Bergstrom, sekretarz Komitetu Noblowskiego. – Ale gdy już będzie funkcjonował, obliczenia będą nieporównywalnie szybsze i dokładniejsze. Będzie je można wykorzystać m.in. w meteorologii czy modelowaniu klimatu Ziemi.

Laureaci:

Serge Haroche | Moich badań nie da się prosto wyjaśnić

Telefon z informacją o Noblu odebrał, spacerując z żoną – zaledwie 20 minut przed oficjalnym ogłoszeniem nazwisk laureatów. – Miałem szczęście, że tuż obok była ławeczka, więc mogłem usiąść. Dopiero kiedy zobaczyłem szwedzki numer na telefonie, uwierzyłem, że to wszystko prawda – mówił szczęśliwy Haroche podczas konferencji prasowej.

Uważany jest za jednego z najlepszych specjalistów w dziedzinie optyki kwantowej – bada interakcje między atomami i światłem. „Większość informacji dochodzi do nas przez światło – od informacji o gwiazdach i Wszechświecie po informacje o obiektach, które nas otaczają. Optyka kwantowa pomaga nam zrozumieć zjawiska naturalne i opracować nowe technologie" – mówił w jednym z wywiadów. Ale poproszony, by wyjaśnił swoje badania, odpowiedział, że jest to niemożliwe. Precyzyjne opisanie tych zjawisk z użyciem terminów stosowanych w codziennym życiu byłoby mylące. Można na siłę tworzyć metafory, ale dadzą one tylko fałszywe wrażenie – zaznaczył naukowiec.

Serge Haroche urodził się 11 września 1944 roku w Casablance. Podczas swojej kariery naukowej odwiedził najbardziej prestiżowe uczelnie świata: studiował na Ecole Normale Superieure w Paryżu, gdzie w 1971 roku uzyskał doktorat z fizyki, później pracował w Ecole Polytechnique, w amerykańskich uniwersytetach Stanford, Harvard, Yale oraz MIT. Za wkład na badanie zjawisk kwantowych otrzymał deszcz naukowych nagród, m.in. Einstein Prize for Laser Science, Nagrodę Humboldta, Nagrodę Europejskiego Towarzystwa Fizycznego w dziedzinie Elektroniki Kwantowej i Złoty Medal CNRS.

Mieszka w Paryżu. Jest profesorem na College de France. Ma dwoje dzieci.

Jak lubi podkreślać, bez zrozumienia zjawisk kwantowych leżących u podłoża działania tranzystorów nie byłoby komputerów. Ale nowoczesna fizyka nie byłaby możliwa bez komputerów. – Fizyka kwantowa i komputera są ze sobą powiązane. To małżeństwo z rozsądku – mówi noblista. Zapowiedział, że uczci sukces kieliszkiem szampana do obiadu.

David J. Wineland | kocha matematykę i wymyślne zabawki

Skromny i z poczuciem humoru na własny temat – tak opisują amerykańskiego noblistę koledzy z National Institute of Standards and Technology, gdzie David Wineland pracuje nad udoskonalaniem superdokładnych zegarów.

Sam najwyraźniej nie używa budzika, bo telefon nad ranem z wiadomością o przyznaniu Nagrody Nobla odebrała żona – naukowiec jeszcze smacznie spał.

Urodził się 24 lutego 1944 roku w Milwaukee. W 1965 roku skończył studia na University of California w Berkeley. Później pracował w zespołach przyszłych noblistów – w 1970 roku pod kierunkiem Normana Ramseya (Nobel z fizyki w 1989 roku) zrobił doktorat na Harvardzie. Następnie trafił pod skrzydła Hansa Dehmelta z University of Washington (dostał Nobla razem z Ramseyem), po czym w roku 1975 przeniósł się do National Bureau of Standards – przemianowanym później na National Institute of Standards and Technology (NIST) w Boulder w Kolorado.

Wineland jest członkiem American Physical Society i American Optical Society. Został też wybrany do National Academy of Sciences w roku 1992. Jest laureatem licznych nagród, m.in. National Medal of Science (2007 r.), Schawlow Prize (2001 r.) oraz Einstein Prize for Laser Science (1996 r.).

Sam jednak przyznał, że lubi swoją pracę, ponieważ może się w niej bawić wymyślnymi zabawkami, jest w niej wiele matematyki, którą kocha, a w dodatku ma to praktyczne zastosowanie. Jakie? Dokładniejsze zegary umożliwiają m.in. bardziej precyzyjną nawigację satelitarną, pozwalają także przewidzieć nadchodzące trzęsienia ziemi – właśnie dzięki superdokładnym pomiarom lokalizacji wykorzystujących konstruowane przez naukowców zegary.

– Badania naukowe są dla mnie jak wspaniała gra wideo, której reguł jeszcze nie poznaliśmy – przyznał noblista w jednym z wywiadów. Wineland w ogóle lubi gry – należał do drużyny softballowej (odmiany baseballa) NIST. Nazywała się „Ofermy".

David Wineland jest żonaty. Ma dwóch synów.