Nobel z fizyki za manipulacje światłem i materią

Prace Davida Winelanda umożliwiły kontrolę stanu jonów, elektrycznie naładowanych atomów, przy pomocy fotonów światła. Serge Haroche opracował odwrotną procedurę, przy pomocy jonów jest w stanie badać stan uwięzionych fotonów.

W uzasadnieniu decyzji napisano, że przełomowe odkrycia Haroche'a i Winelanda przybliżyły naukę do budowy nowych, znacznie bardziej wydajnych, kwantowych komputerów. Ich prace doprowadziły też do konstrukcji niezwykle dokładnych zegarów, które w przyszłości mogą stać się podstawą określenia nowego standardu czasu. Są one nawet sto razy dokładniejsze od do tej pory używanych zegarów atomowych.

Jak wyglądały ekperymenty przeprowadzone przez Noblistów?

W swoim laboratorium w Boulder w Colorado, David Wineland zbudował pułapkę jonową, w której naładowane elektrycznie  atomy utrzymywane były z pomocą pola elektrycznego. By odizolować jony od ciepła otoczenia, doświadczenia wykonywano w próżni i bardzo niskiej temperaturze. Precyzyjne wykorzystanie lasera pozwoliło ograniczyć ruchy termiczne jonu i w ten sposób sprowadzić go do możliwie najniższego stanu energetycznego. W takich warunkach można było badać zjawiska kwantowe związane z superpozycją stanów, czyli sytuacją, w której wzbudzany impulsami lasera jon może równocześnie znajdować się na dwóch poziomach energetycznych.

Serge Haroche i jego grupa zastosowali inną metodę badawczą. W laboratorium w Paryżu stworzyli pułapkę, tak zwaną wnękę rezonansową, w której foton promieniowania mikrofalowego mógł odbijać się od dwóch zwierciadeł przez "nieskończenie" długą dla niego chwilę, około 0,1 sekundy. By lustra tak doskonale odbijały promieniowanie, zbudowano je z materiału nadprzewodzącego i schłodzono do temperatury tylko nieznacznie wyższej od zera absolutnego. Tak długi czas życia fotonu pozwalał mu pokonać w sumie odległość około 40 tysięcy kilometrów, równą obwodowi Ziemi. W czasie, gdy foton odbijał się od zwierciadeł wnęki, naukowcy wpuszczali tam atom, który mógł z tym fotonem oddziaływać. Badając zmianę stanu kwantowego atomu przed i po przejściu przez wnękę, można było przekonać się, czy w środku jest jeszcze foton, czy już go tam nie ma.

Ekspert: Prace noblistów - szczytowe osiągnięcie inżynierii kwantowej

Dokonania noblistów z fizyki to szczytowe osiągnięcie inżynierii kwantowej i spełnienie marzeń m.in. Einsteina; ich konsekwencją może być zbudowanie kwantowego komputera i superstabilnego zegara, choć do tego długa droga - uważa dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki Uniwersytetu Gdańskiego prof. Marek Żukowski. Dodaje, że Wineland i Haroche to mistrzowie manipulacji pojedynczych układów kwantowych, zwłaszcza w oddziaływaniu pojedynczych atomów ze światłem.

Ekpert podkreśla, że odkrycia nagrodzonych dziś naukowców są niezwykle ważne dla inżynierii kwantowej. Ta cała dziedzina wybuchła dlatego, że 20 lat temu ludzie sobie zdali sprawę, że można kontrolować pojedyncze obiekty kwantowe - powiedział. Wcześniej nikt się nie spodziewał, że na pojedynczych układach kwantowych można wykonywać doświadczenia. To, o czym tylko marzyli Einstein czy Schroedinger, w tej chwili stało się możliwe - zaznacza.

Żukowski ocenia, że konsekwencje prac Winelanda i Haroche'a mogą być niesamowite. Dzięki ich badaniom możemy kontrolować pojedyncze ziarenka materii i to będą niesłychanie subtelne metody zmieniania stanu materii na poziomie pojedynczych atomów - wyjaśnia. Stwierdza ponadto, że doświadczenia Winelanda mogą prowadzić np. do budowy superstabilnych zegarów, które "od początku Wszechświata spóźniłyby się o parę sekund". Ich konsekwencją może być też zbudowanie komputera kwantowego, tzw. superkomputera.

To jest marzenie i motywacja do dużej części tego typu badań. W takim kwantowym komputerze pewne obliczenia można by było robić znacznie szybciej. Algorytmy niemożliwe dla komputerów klasycznych dla kwantowych będą już możliwe. Jednak droga do tego jest bardzo długa - podsumowuje.

Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki w ostatnich 10 latach:

2011 - Nagrodę otrzymali Amerykanin Saul Perlmutter, Australijczyk Brian P. Schmidt i Adam G. Riess z USA, którzy odkryli, że Wszechświat rozszerza się coraz szybciej, mimo że przewidywano, iż tempo ekspansji maleje. Ustalili to obserwując światło odległych supernowych.

2010 - Nagrodzeni zostali pochodzący z Rosji, a pracujący w Wielkiej Brytanii Andre Geim i Konstantin Novoselov za odkrycie grafenu - nowej postaci węgla, która jest najcieńszym i najbardziej wytrzymałym znanym materiałem.

2009 - Nagrodę otrzymał Charles K. Kao za przełomowe osiągnięcia dotyczące transmisji światła we włóknach optycznych oraz Willard S. Boyle i George E. Smith za wynalezienie półprzewodnikowego obwodu obrazującego - sensora CCD.

2008 - Nagrodę podzielono między Amerykanina japońskiego pochodzenia Yoichiro Nambu oraz Makoto Kobayasiego i Toshihidę Maskawa z Japonii. Prace laureatów dotyczyły budowy materii i całego Wszechświata.

2007 - Francuz Albert Fert oraz Niemiec Peter Gruenberg zostali nagrodzeni za odkrycie zjawiska gigantycznego magnetooporu niezależnie od siebie, w 1988 roku. Dzięki ich badaniom możliwa stała się radykalna miniaturyzacja twardych dysków, stosowanych m.in. w laptopach oraz w niektórych odtwarzaczach muzycznych.

2006 - Nagrodę otrzymali amerykańscy astrofizycy: John C. Mather i George F. Smoot. Otrzymali ją za badania, które spoglądają wstecz - na młodość naszego Wszechświata i czynią wysiłki, aby zrozumieć narodziny galaktyk i gwiazd.

2005 - Roy Glauber otrzymał połowę nagrody Nobla z fizyki za teoretyczny opis zachowania cząstek światła. John Hall (USA) i Theodor Haensch (Niemcy) podzielili się drugą połową nagrody za wkład w rozwój precyzyjnej spektroskopii laserowej

2004 - David J. Gross, H. David Politzer i Frank Wilczek podzielili się nagrodą, przyznaną im za odkrycie asymptotycznej swobody w teorii silnych oddziaływań.

2003 - Alexei A. Abrikosov, Witalij L. Ginzburg  i Anthony J. Leggett otrzymali Nagrodę Nobla za badania w dziedzinie fizyki kwantowej, dotyczące nadprzewodnictwa i nadciekłości.

2002 - Riccardo Giacconi, Raymond Davis Jr. i Masatoshi Koshiba zostali uhonorowani za wykrycie cząstek neutrino w kosmosie oraz za udział w odkryciu źródeł promieniowania X.