Banaszek: Prace tegorocznych laureatów doprowadzą do powstania komputerów kwantowych

Tegoroczną Nagrodę Nobla z fizyki otrzymali Francuz Serge Haroche i Amerykanin David Wineland zajmujący się optyką kwantową. Ich odkrycia doprowadziły do powstania zupełnie nowej dziedziny badań - mówi w rozmowie z RMF FM profesor Konrad Banaszek z Katedru Optyki Kwantowej i Fizyki Atomowej Uniwersytetu Warszawskiego. Jak podkreśla, te doświadczenia doprowadzą do poważnych zastosowań w kryptografii kwantowej, przy poprawie precyzji działania zegarów atomowych, czy - w dalszej perspektywie - przy budowie komputerów kwantowych.

Grzegorz Jasiński: Panie profesorze, jak to zazwyczaj bywa z laureatami Nagrody Nobla, Haroche i Wineland dokonali czegoś, co przed nimi wydawało się niemożliwe.

Konrad Banaszek: Oni dokonali rzeczy, która może nie było nie możliwa, to znaczy o niej się śniło fizykom kwantowym od początku XX wieku, ale była niesłychanie trudna do wykonania i w zasadzie nikt przed nimi nie odważył się na wykonanie tego typu eksperymentów. Oni postanowili spróbować wykonać doświadczenia z pojedynczymi atomami i z pojedynczymi fotonami. Na ogół nasze doświadczenie jest takie, że mamy do czynienia z bardzo dużymi grupami atomów, czy fotonów, światło z żarówki, czy światło z lasera to są miliony milionów fotonów. Powiedzmy, długopis, który trzymamy w ręku to też są niesłychane liczby atomów. Natomiast fizyka kwantowa prowadzi do bardzo ciekawych przewidywań, jeżeli zaczęlibyśmy bawić się pojedynczymi atomami, czy pojedynczymi fotonami. To długo było pewnego rodzaju snem fizyków kwantowych. Nikomu nie przyszło do głowy, że tego typu doświadczenia można robić w laboratorium. Fizycy kwantowi ukuli nawet na to taką niemiecką nazwę "Gedankenexperiment" eksperyment myślowy. Do dokonań Haroche'a i Winelanda należy to, że oni tego typu eksperymenty wykonali, przez ostatnie dziesiątki lat prowadzili je zgłębiając coraz to subtelniejsze efekty kwantowe.


By dokonać tych eksperymentów musieli przechwycić, jak to się mówi "spułapkować" pojedyncze fotony i pojedyncze jony. Każdy z nich dokonywał tego eksperymentu jakby na inny sposób?

Tak. Techniki były zupełnie inne. W przypadku Winelanda to jest sztuka otoczenia pojedynczych jonów takim polem elektromagnetycznym - mówiąc w skrócie- żeby one były w miejscu i nam nie uciekły. To, co robił Haroch'e - on używał pudełka, którego boki bardzo dobrze odbijały światło - takie pudełko na fizyce nazywają "wnęką rezonansową". W momencie, kiedy on wstrzyknął trochę światła, bądź je wytworzył, ono żyło w środku dostatecznie długo, żeby wykonać na nim następnie pomiary i zbadać oddziaływanie, na przykład z atomami, które przez tą wnękę rezonansową były przesuwane.

Porozmawiajmy chwilę o każdym z tych eksperymentów. Najpierw o eksperymencie Winelanda, w którym w takiej pułapce jonowej udało się chwycić pojedynczy jon i manipulować nim przy pomocy promieniowania laserowego.

To jest samo w sobie ciekawe. Dlatego, że kwantowy opis ruchu pojedynczej cząstki jest bardzo nietrywialny. Wiemy na przykład, że nie można równocześnie zmierzyć położenia i pędu takiej cząstki. Oni, przy okazji, się o tym przekonali. Na przykład mierząc pełny stan kwantowy takiej cząstki. Akurat to śledziliśmy tutaj z uwagą, bo oni użyli pewnych metod teoretycznych, które wcześniej rozwijaliśmy na wydziale fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. wspólnie z moim promotorem Krzysztofem Wódkiewiczem. Kiedy już się zrozumie jak taki pojedynczy jon się porusza można, na przykład, zacząć się bawić dwoma jonami. I to prowadzi do wytworzenia splątania kwantowego, czyli bardzo ciekawych stanów, w których każda z cząstek zachowuje się zupełnie losowo, jeżeli jednak popatrzeć na korelację miedzy nimi, to są to takie korelacje, które nie mogą się przyśnić w fizyce klasycznej. One są dużo silniejsze i prowadzą do następnych zjawisk. Takich jak choćby teleportacja kwantowa.


W doświadczeniu Haroche'a było odwrotnie. Tam mieliśmy foton, który odbijał się przez "nieskończony" z jego punktu widzenia czas dzięki temu, że było to wyjątkowo dobrze zrobione zwierciadło i stan tego fotonu był modyfikowany atomami. W jaki sposób?

To byłą taka technika przepuszczania pojedynczych atomów przez wnękę rezonansową. Te atomy najpierw odpowiednio przygotowywano przy pomocy laserów. Potem pozwolono im oddziaływać ze światłem we wnęce, a potem - po wyjściu z tej wnęki - bardzo starannie te atomy mierzono. To pozwalało zobaczyć, dowiedzieć się co się dzieje we wnęce. A tam potrafiły się dziać rzeczy bardzo ciekawe. Haroche wyprodukował stan, który fizycy nazywają stanem typu kota Schroedingera. To się wzięło z takiego słynnego paradoksu opisanego przez Schroedingera, który jest wyciągnięciem konsekwencji z formalizmu mechaniki kwantowej. Ona zapytał się, co się dzieje jeżeli to tak naprawdę pojedyncza cząstka, na przykład rozpadająca się cząstka promieniotwórcza decyduje, czy uwolnimy truciznę z ampułki i zabijemy kota. Czy to znaczy, że będziemy mieli kota, który jest w stanie tak zwanej superpozycji kwantowej, który jest trochę żywy i trochę martwy, ale tak naprawdę te obie możliwości, te oba stany są realizowane równocześnie. Haroche nie włożył do tej wnęki rezonansowej kota. Włożył coś mniejszego. Użył dwóch bardzo odmiennych stanów światła. Wyprodukował taki stan typu kota Schroedingera i pokazał jego własności.

Oczywiście zawsze przy okazji nagród Nobla pojawiają się pytania o to, jak to, czego dokonali tegoroczni Nobliści może przydać się nam w codziennym życiu...

Plany są bardzo ambitne i te plany się już powoli realizują. Doświadczenia z pojedynczymi cząstkami kwantowymi doprowadziły do powstania nowej dziedziny, którą określa się często mianem technologii kwantowych. Idea jest taka, by wykorzystać takie subtelne, kwantowe zjawiska, wykazywane przez pojedyncze atomy lub pojedyncze fotony w nowego rodzaju technologiach. Przykładem może być kryptografia kwantowa, poprawa precyzji działania zegarów atomowych, czy w dalszej perspektywie budowa komputerów kwantowych. te doświadczenia to był taki pierwszy krok do pokazania, że właśnie te technologie kwantowe mają szanse praktycznej realizacji. Przy czym tutaj chciałbym podkreślić, że wyzwania techniczne, które się pojawiały w realizacji tego rodzaju doświadczeń, były bardzo trudne i w zasadzie niespotykane w innych dziedzinach.

Na ile w tej chwili, po latach od tych doświadczeń, jesteśmy bliżej stworzenia komputerów kwantowych?

Ciężko mi podać jakiś konkretny termin, ciężko powiedzieć na przykład, że za pięć lat będziemy już mieli działający komputer kwantowy. Drugim problemem jest też zastanowienie się, jakiego rodzaju problemy byłyby rozwiązywane z wykorzystaniem takich komputerów. To może być bardzo potężne narzędzie dla fizyków ciała stałego, czy dla zajmujących się nanotechnologią. Oni bardzo by chcieli zrozumieć, jak działają układy wielu cząstek kwantowych, natomiast w typowych układach nie mają "pokręteł", które pozwalałyby im zmieniać wartości różnych parametrów. My możemy symulować tego typu układy właśnie za pomocą układu jonów, czy układu atomów, złapanych w tak zwane sieci optyczne. I tutaj w zasadzie stosunkowo łatwo możemy różne parametry takiego złożonego układu zmieniać i możemy badać, jak się zmieniają jego własności w zależności od tych parametrów.

Wśród zastosowań badań, o których dziś mówimy wymienia się też zegary optyczne...

Tutaj też ciężko mi powiedzieć jaka jest skala czasowa, natomiast precyzyjne zegary optyczne to rzecz niesłychanie potrzebna, chociażby za każdym razem, kiedy korzystamy z systemów pozycjonowania. Tu wydaje się, że wymagania technologiczne są mniejsze i opracujemy techniki, które pozwolą nam na poprawę precyzji zegarów, co może mieć doniosłe konsekwencje w wielu dziedzinach nauki i techniki.