Nagrodę Nobla z fizyki w roku 2012 otrzymali Serge Haroche (Francja) i David Wineland (USA) za przełomowe eksperymentalne metody, które umożliwiają pomiar i manipulację pojedynczych układów kwantowych.

Serge Haroche Urodził się w 1944 w Casablance. Studiował w École normale supérieure, a następnie na Université Pierre et Marie Curie, gdzie w 1971 roku uzyskał doktorat z fizyki. Od 2001 roku jest profesorem na Colle`ge de France, gdzie objął katedrę fizyki kwantowej.

Mechanika kwantowa to dział fizyki opisujący ruch obiektów świata mikroskopowego. Stosuje się ją tam gdzie przewidywania mechaniki klasycznej nie sprawdzały się. Opisuje przede wszystkim obiekty o bardzo małych masach i rozmiarach, na przykład atomy, jony lub cząstki elementarne.
Haroche i Wineland badali jak można mierzyć i kontrolować tak zwane systemy kwantowe. Ich badania miały doprowadzić do umiejętności złapania pojedynczych atomów lub fotonów i ustawienia ich w stanie kwantowym, tak jak sobie tego zażyczymy. Obaj fizycy robili w zasadzie to samo, tylko z dwóch stron problemu. Haroche dostał nagrodę za to, że potrafił łapać fotony, trzymać je pułapce i kontrolować, a następnie komunikować się z nimi wysyłając na nie atomy. Wineland ponieważ potrafił spułapkować (skupić na małym obszarze) atomy, a potem je oświetlał czyli kierował na nie fotony.
Eksperymenty te są bardzo niezwykłe, bowiem mówiąc o fotonach z reguły odnosimy się do strumieniu ogromnej ilości cząstek (przykładowo laser emitujący światło widzialne o mocy 1W wysyła w każdej sekundzie około 10¹⁸ fotonów). Tymczasem Haroch i Wineland eksperymentowali z pojedynczymi fotonami oddziaływującymi z pojedynczymi atomami i jonami. Biorąc pod uwagę, że fotony poruszają się z prędkością światła, manipulowanie z pojedynczymi fotonami jest skrajnie trudne.

David J. Wineland Urodzony w 1944 roku w Milwaukee. W 1965 otrzymał stopień Bachelor of Arts Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. Doktorat z fizyki uzyskał w 1970 roku na Uniwersytecie Harvarda. Pracował na University of Washington, a od 1975 roku w National Institute of Standards and Technology.

Badania te mają ogromne znaczenie poznawcze, ale również znajduje zastosowania, choćby w superdokładnych pomiarach. Do koronnych zastosowań wiedzy rozwijanej przez noblistów należą zegary atomowe. Wiedza ta pozwala również rozwijać nanotechnologię, a w przyszłości również komputery kwantowe.
W komputerach kwantowych trzeba radzić sobie z bardzo złożonymi obliczeniami za pomocą badania stanu mikrocząstek, które są w odpowiednim stanie kwantowym. W ten sposób można ominąć ograniczenia wynikające z sekwencyjnego działania tradycyjnych komputerów. Wykorzystuje się tutaj wyjątkowe własności cząstek w fizyki kwantowej. Atom może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie albo foton może lecieć w jedną i drugą stronę jednocześnie. Dane można sprytnie zapisać w stanach kwantowych atomów. Tak, że dany stan będzie reprezentacją jednej liczby czyli coś podobnego do bitów. Komputery klasyczne wszystkie operacje wykonują po kolei: pobierają dane z pamięci, przetwarzają, zapisują itd. Komputer kwantowy ma wykorzystać własność, że atomy mogą być w kilku stanach jednocześnie, czyli reprezentować kilka liczb naraz. Wtedy nasz komputer otrzymuje jednocześnie wiele danych i może wykonywać jednocześnie wiele obliczeń a to oznaczałoby radykalne przyspieszenie obliczeń.

Układ komputera kwantowego

Na przeszkodzie takim obliczeniom stoi niestabilność stanów kwantowych. Wyobraźmy sobie pudełko, w którym ułożone są cząstki elementarne, jak protony, elektrony, fotony. Kłopot polega na tym, że ułożony przez nas stan tych cząstek bardzo szybko ulega tzw. dekoherencji, czyli traci wiadomość o fazie. Przestaje pamiętać o swoich poszczególnych składnikach, które chcielibyśmy trzymać nienaruszone, żeby wykonać na nich operację i z powrotem zmierzyć. Po prostu staje się bezużyteczny dla obliczeń. Tak się dzieje ponieważ cząstki oddziaływają między sobą i między "pudełkiem". Serge Haroche chciał ten problem ominąć. Badał jak ograniczyć zjawisko dekoherencji, czyli jak najdłużej utrzymać stan kwantowy nienaruszony.
Jest jeszcze problem odczytania stanu. Według mechaniki kwantowej odczyt stanu zmienia własności układu kwantowego czyli stan zostaje zniszczony. Tegoroczni laureaci wymyślili sposób, by poprzez superpozycję atomów i światła odczytać ten stan, niszcząc go jedynie w minimalny sposób.
Na razie skonstruowano jedynie prymitywne komputery kwantowe. Obecnie możemy kontrolować 15 atomów. Aby móc wykonywać operacje szybciej niż tradycyjny komputer, potrzebujemy mieć kontrolę nad co najmniej tysiącem atomów. Jest to ogromne wyzwanie technologiczne. Gdyby to się udało, komputery kwantowe wykonujące bardzo szybkie obliczenia stanowiłyby jednocześnie zagrożenia. Byłyby w stanie złamać najczęściej dziś stosowane bariery kryptograficzne. Musielibyśmy wszyscy przejść do szyfrowania kwantowego, czyli kryptografii kwantowej.

Opracowano na podstawie internetowych informacji zamieszczonych w serwisie naukowym Gazety Wyborczej i serwisie naukowym portalu Onet.

---

« Poprzednia  Następna »