Nobelova cena za fyziku 2022

Nobelova cena za fyziku 2022

Fyzika / článek

Královská švédská akademie věd oznámila minulé úterý jména laureátů Nobelovy ceny za fyziku. Nejprestižnější vědecké ocenění letos dostanou Francouz Alain Aspect, Američan John Clauser a Rakušan Anton Zeilinger, kteří podle nobelovské komise položili základy nové éry kvantových technologií.

Těžiště práce oceněných vědců leží v oblasti kvantové fyziky. Trojice si odnáší ocenění za „experimenty s kvantově provázanými fotony, vyvrácení platnosti Bellovy nerovnosti a za průkopnické práce v oboru kvantových informací“. Ačkoli laureáti pracovali na svých výzkumech odděleně, provedli klíčové experimenty, které potvrdily kvantovou povahu provázání. Jde o velmi zvláštní jev, s jehož pomocí je možné prokázat daleko silnější interakce mezi dvěma nebo více částicemi, než je tomu v klasické fyzice.

Výzkumy Alaina Aspecta, Johna Clausera a Antona Zeilingera ukázaly, že to, co se v kvantově provázaném stavu děje jedné z částic, určuje také vlastnosti druhé částice, i když jsou od sebe vzdáleny třeba světelné roky. Jednoduše řečeno, částice se chovají jako jeden objekt. Tyto poznatky nejsou jen hříčkou fyziků, ale mají významné praktické uplatnění. Kvantové provázání totiž hraje důležitou roli v oblasti kvantových počítačů, které by mohly v určitém typu úloh dalece překonat počítače klasické, v kvantovém šifrování nebo dokonce v kvantové kryptografii.

Bellova nerovnost

Ve všech třech skupinách experimentů bylo zjištěno porušení takzvané Bellovy nerovnosti, která určuje hranici korelací, jež mohou být pozorovány v klasických systémech. Tato porušení jsou důležitým prvkem v základních předpokladech kvantové teorie.

První experiment v této oblasti provedl v roce 1972 John Clauser na University of California v Berkeley, když měřil korelace mezi polarizacemi párů fotonů, které vznikly při atomovém přechodu. Clauser ukázal, že Bellova nerovnost byla porušena, což znamená, že páry fotonů byly provázány. Jeho experiment měl však několik slabin a nebyl dostatečně průkazný, mimo jiné kvůli tomu, že detekované fotony nebyly charakteristickým vzorkem všech fotonů emitovaných zdrojem.

O deset let později, v roce 1982, navázal na tento výzkum Alain Aspect a jeho kolegové z Université Paris-Sud v Orsay. Francouzský tým Clauserův experiment zdokonalil použitím dvoukanálového detektoru, a tím vyloučil jakékoliv předpovědi týkající se detekovaných fotonů. Vědci navíc během měření měnili orientaci polarizačních filtrů. Tím dospěli k přesvědčení, že Bellova nerovnost byla skutečně porušena.

Neurčitost ve stanovení lokality odstranil v roce 1998 profesor Anton Zeilinger a jeho tým z Universität Innsbruck. K nastavení směru měření fotonů vědci použili dva zcela nezávislé generátory náhodných čísel. Výsledkem bylo, že směr, v němž byla měřena polarizace všech fotonů, byl určen až „v poslední instanci“, takže žádný signál, šířící se pomaleji, než je rychlost světla, nebyl schopen přenášet informaci na druhou stranu dříve, než byl foton zaregistrován.

Pokud jde o potvrzení základních předpovědí kvantové mechaniky, vytvořily tyto tři experimenty základy pro rozvoj moderních kvantových technologií. Oceněné experimenty s provázanými fotony vedly k tomu, čemu ještě v 70. letech minulého století nikdo nevěřil. Na vlastnostech kvantového světa, zvláště pak fotonů, je založena celá řada dnes běžně fungujících aplikací. Je to třeba kvantové šifrování, kvantová litografie, kvantová metrologie nebo kvantové zobrazování.

Alain Aspect se narodil 15. června 1947 ve francouzském Agenu. Fyzikální „agrégation“, tedy francouzskou národní zkoušku, složil v roce 1969. O dva roky později získal magisterských titul na Université d´Orsay. Doktorské studium, během kterého pracoval na experimentálním ověřování Bellových nerovností, dokončil v roce 1983. V rámci doktorátu přednášel na École Normale Supérieure de Cachan, v roce 1985 pracoval na Collége de France de Paris, odkud v roce 1992 přešel do Laboratoire Charles Fabry při Institut d´Optique na univerzitě Paris Saclay.

John Clauser se narodil 1. prosince 1942 v kalifornské Pasadeně. Vystudoval California Institute of Technology, doktorát získal v roce 1969 na Columbia University. V letech 1969–1975 působil jako vědecký pracovník v Lawrence Berkeley National Laboratory a poté v letech 1975–1986 v Lawrence Livermore National Laboratory. Jeho vědecká dráha pokračovala ve funkci vedoucího vědeckého pracovníka v americké firmě Science Application International Corporation, v roce 1990 přešel na University of California v Berkely. V roce 1997 založil vědecko-konzultační firmu J. F. Clauser & Associates.

Anton Zeilinger se narodil 20. května 1945 v rakouském Ried im Innkreis. V roce 1963 začal studovat fyziku a matematiku na Universität Wien, kde následně v roce 1971 dokončil doktorát v atomové fyzice. Působil v Atomic Institute ve Vídni, na Technische Universität Wien a Universität Innsbruck. V roce 1999 se vrátil na Universität Wien, kde v letech 2004–2013 zastával pozici ředitele Institutu pro kvantovou optiku a kvantovou informaci. V roce 2013 byl jmenován předsedou rakouské Akademie věd, kde působil až do letošního roku.

Nobelovu cenu v hodnotě 10 milionů švédských korun laureáti převezmou během slavnostního ceremoniálu 10. prosince 2022.