Za uczynienie z dziwności użytecznego surowca. Fizyczny Nobel 2022 dla Alaina Aspecta, Johna F. Clausera i Antona Zeilingera

Rzeczy, które zdarzają się bez przyczyny. Cząstki, które – choć pozornie osobne – zachowują się jak jedna całość. Prawdopodobieństwa, zamiast stuprocentowej pewności. Tak właśnie sto lat temu opisała świat nowa nauka – mechanika kwantowa. Problem z zaakceptowaniem takiego obrazu świata mieli jej pionierzy. I następne pokolenia. Ale trzej nagrodzeni w tym roku Nagrodą Nobla fizycy udowodnili, że przedziwna, kontrintuicyjna natura świata kwantowego nie ma w sobie niczego mistycznego, niczego fantastycznego. To naprawdę jest świat, w którym wszyscy żyjemy.

Einstein nie lubi duchów

– Tegoroczne nagrody są dowodem potęgi mechaniki kwantowej – powiedział Hans Ellegren z Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk. Ale ta potęga nie była początkowo ewidentna. Albert Einstein nie dowierzał, że na poziomie mikroskopowym rzeczy poniekąd stają się dopiero w chwili pomiaru.

Wraz z Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem zaprojektował w 1935 r. słynny eksperyment myślowy, który miał udowadniać, jak bardzo mechanika kwantowa jest niekompletna. Opisywał w nim układ, którego istnienie dopuszcza owa nauka: dwie cząsteczki splątane kwantowo. Stany obu są niekreślone, zamglone – ale jeśli mechanika kwantowa miała być słuszna, musiałby je łączyć przedziwny związek. Po ich rozdzieleniu pomiar stanu jednej natychmiast ustalałby stan drugiej. Bez względu na odległość. Zupełnie jakby porozumiewały się szybciej niż światło – co jest niemożliwe. Jakby rzeczy zdarzały się bez przyczyny – co nie podobało się Einsteinowi.

Wielki uczony nazwał ten efekt „oddziaływaniem duchów na odległość”. I w takiej mniej więcej sferze – baśni oraz filozofii – umieszczano debaty o fundamentach mechaniki kwantowej. Ton narzucił Niels Bohr, wielka figura nauki pierwszej połowy XX w., każąc zaakceptować dziwności, „zamknąć się i rachować”. On i drugi wielki fizyk – Werner Heisenberg – uważali, że nauka powinna mówić tylko o tym, co da się zmierzyć.

Bell ma własne zdanie

Ale nie wszyscy chcieli się zamknąć – do nielicznych odszczepieńców należał irlandzki fizyk John Stewart Bell. W latach 60. przedstawił twierdzenie, z którego wynikało, że albo splątanie kwantowe to w przyrodzie rzecz całkowicie normalna, albo dotychczasowa mechanika kwantowa jest błędna.

Polski fizyk Artur Ekert tak mi o tym opowiadał: – Einstein zakładał realizm lokalny, czyli że wartości fizyczne związane z obiektami, przedmiotami naprawdę istnieją. Jeśli poruszają się obiekty, własności poruszają się razem z nimi. Czerwień autobusu porusza się z autobusem. (…) Ale Bell sformułował pewne twierdzenie, nierówność, które pokazuje, że tak wcale nie musi być – czerwień autobusu może pojawiać się w momencie, w którym próbujemy zmierzyć jego kolor. A wcześniej jej nie ma. I mówienie, że ona istnieje, prowadzi do sprzeczności.

O wynikach Bella początkowo wiedział mało kto – a większość z tych, którzy wiedzieli nie dostrzegała ich doniosłości. Wyzwanie rzucone przez Irlandczyka przyjął dopiero John F. Clauser (ur. 1942). Ten amerykański fizyk i utalentowany majster, bez wiedzy przełożonych, na początku lat 70. skonstruował z fragmentów znalezionych na uczelnianym złomowisku urządzenie, za pomocą którego udowodnił coś, co chciał obalić.

Clauser i Aspect montują aparaturę

Bawiąc się spolaryzowanymi fotonami Clauser wykazał, że z mechaniką kwantową wszystko jest w porządku. Nie jest natomiast w porządku z tym, jak Einstein i inni o niej myśleli. Bóg gra czasem w kości. Splątane cząstki tworzą jedną, niezakłóconą przez dzielącą je odległość, całość. Jeden stan kwantowy. Tylko tak należy o nich myśleć.

Francuz Alain Aspect (ur. 1947) poszedł jeszcze dalej. Jego eksperymenty wyeliminowały wszelkie wątpliwości i niepewności związane z układem Clausera. Mechanika kwantowa działa bez zarzutu. Nie ma żadnych ukrytych zmiennych, które tłumaczyć by miały fenomen splątania.

I wtedy fizycy z większą niż wcześniej atencją spojrzeli na zapomnianą pracę Erwina Schrödingera z połowy lat 30. Pisał on, że splątanie jest – być może – nie egzotyczną, ale podstawową cechą mechaniki kwantowej. Wielkie publikacje nauki mają to do siebie, że kolejne pokolenia odnajdują w nich nowe znaczenia. Podobnie przecież było z tekstem Einsteina, Podolskiego i Rosena. – Na wpół filozoficzny artykuł okazał się fundamentalny dla nowych technologii kwantowych – opowiadał Ekert.

Thors Hans Hansson z Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk pięknie o tym dziś opowiadał, w niepozbawionej cech choreografii tanecznej prezentacji dorobku nagrodzonych: – Eksperymenty Clausera i Aspecta otworzyły fizykom oczy na stwierdzenie Schrödingera i dostarczyły eksperymentalnych narzędzi do pracy.

Zeilinger żongluje splątaniem

Anton Zeilinger (ur. 1945) z tej właśnie oferty skorzystał. Ten austriacki fizyk to człowiek instytucja. Słusznie uważany jest dziś za mistrza splątania – a na pewno mistrza interferometrii kwantowej. W 1997 r. zademonstrował na przykład doświadczalnie coś, co kilka lat wcześniej teoretycznie obmyślili ze współpracownikami (byli to: Charles H. Bennett, Gilles Brassard i W. K. Wootters) teleportację kwantową, czyli przerzucanie stanu kwantowego z jednej cząstki na drugą.

Blisko z tegorocznym noblistą współpracuje Marek Żukowski. Ten polski fizyk wspominał niedawno w rozmowie dla POLITYKI: – W dużej mierze dzięki Antonowi Środkowa Europa przejęła – po Amerykanach i Brytyjczykach – pałeczkę w badaniach nad mechaniką kwantową.

Splątanie trafia pod strzechy

Rok 1901 był rokiem nagrody Nobla. To wtedy przyznano ją po raz pierwszy. Był też rokiem litery „S”. Bo to właśnie zakodowany Morsem sygnał oznaczający tę literę przesłał Guglielmo przez Atlantyk, ze wsi Poldhu w Kornwalii do kanadyjskiej Nowej Funlandii. Włoch otworzył nową erę w komunikacji bezprzewodowej. Dziś nagrodzeni zostali uczeni, którzy otworzyli kolejną epokę – wykorzystującą najbardziej fundamentalne, splątane elementy rzeczywistości. Współtworzyli nową naukę – informację kwantową.

Dzięki niej splątanie wykorzystuje się z powodzeniem w kryptografii. Splątane cząstki przesyła na międzykontynentalne dystanse. Moduły wykorzystujące rozwiązania Zeilingera wchodzą w skład komputerów kwantowych. Kwantowy przypadek coraz częściej traktujemy jako użyteczny zasób, a nie dopust boży.

Rok 2022 jest rokiem litery „Q” – jak quantum mechanics.

PS. Na marginesie – pionierów informacji kwantowej było oczywiście więcej. Nad teorią pracowali m.in. nieco zapomniany Stephen Wiesner, nagrodzeni tegoroczną Breakthrough Prize i wspomniani wcześniej Bennett, Brassard oraz David Deutsch. Byli też uczeni polskiego pochodzenia – Ekert i Wojciech Żurek.