Nobelova nagrada za fiziku 2022. dodijeljena je trojici naučnika za pionirske eksperimente u kvantnoj mehanici, teoriji koja pokriva mikro-svijet atoma i čestica.
Fizičari Alen Aspe iz Francuske, Džon Klauzer iz Sjedinjenih Država i Anton Cajlinger iz Austrije podijeliće sumu od 10 miliona švedskih kruna (915.000 američkih dolara) „za eksperimente sa zapletenim fotonima, utvrđujući kršenje Belove teoreme i pionirske kvantne informacione nauke“.
Svijet kvantne mehanike zaista izgleda veoma čudno. U školi nas uče da nam jednačine u fizici omogućavaju da tačno predvidimo kako će se stvari ponašati u budućnosti – gdje će lopta otići ako je kotrljamo niz brdo, na primjer.
Kvantna mehanika je sasvim drugačija. Umjesto da predviđa pojedinačne ishode, on nam govori o verovatnoći pronalaska subatomskih čestica na određenim mjestima. Čestica zapravo može biti na nekoliko mjesta u isto vrijeme, prije nego što nasumično „odabere" jednu lokaciju kada je mjerimo, objašnjava Robert Jang, profesor fizike i direktor Centra za kvantne tehnologije u Lankasteru.
Čak je i sam veliki Albert Ajnštajn bio uznemiren ovim – do tačke u kojoj je bio ubijeđen da je to pogrešno. Umjesto da ishodi budu nasumični, on je mislio da moraju postojati neke „skrivene varijable" – sile ili zakoni koje ne možemo da vidimo – koje predvidivo utiču na rezultate naših mjerenja.
Neki fizičari su, međutim, prihvatili posledice kvantne mehanike. Džon Bel, fizičar iz Sjeverne Irske, napravio je važan napredak 1964. godine, osmislivši teorijski test da pokaže da skrivene varijable koje je Ajnštajn imao na umu ne postoje.
Prema kvantnoj mehanici, čestice mogu biti „zapletene“, sablasno povezane tako da ako manipulišete jednom onda automatski i odmah manipulišete i drugom.
Ako bi se ova sablasna povezanost – čestice koje su udaljene jedna od druge i u jednom trenutku misteriozno utiču jedna na drugu – trebalo da objasni tako što čestice komuniciraju jedna sa drugom preko skrivenih varijabli, to bi zahtijevalo komunikaciju bržu od svjetlosti između njih dvoje, što Ajnštajnove teorije zabranjuju.
Kvantna zapetljanost je koncept koji je izazovan za razumijevanje, u suštini povezuje svojstva čestica bez obzira koliko su udaljene. Zamislite sijalicu koja emituje dva fotona (svjetlosne čestice) koji putuju u suprotnim smjerovima od nje.
Ako su ovi fotoni upleteni, onda mogu da dijele svojstvo, kao što je njihova polarizacija, bez obzira na njihovu udaljenost. Bel je zamišljao da odvojeno radi eksperimente na ova dva fotona i da uporedi njihove rezultate kako bi dokazao da su upleteni (istinski i misteriozno povezani).
Klauzer je sproveo Bellovu teoriju u praksu u vrijeme kada je izvođenje eksperimenata na pojedinačnim fotonima bilo gotovo nezamislivo. Godine 1972, samo osam godina nakon Belovog čuvenog misaonog eksperimenta, Klauzer je pokazao da se svjetlost zaista može zaplesti.
Iako su Klauzerovi rezultati bili revolucionarni, postojalo je nekoliko alternativnih, egzotičnijih objašnjenja za rezultate koje je dobio.
Ako se svjetlost ne ponaša baš onako kako su fizičari mislili, možda bi se njegovi rezultati mogli objasniti bez zapletanja. Ova objašnjenja su poznata kao rupe u Belovom testu, a Alan Aspe je prvi ovo osporio.
Naime, Aspe je smislio genijalan eksperiment kako bi isključio jednu od najvažnijih potencijalnih rupa u Belovom testu. Pokazao je da zapleteni fotoni u eksperimentu zapravo ne komuniciraju jedni sa drugima preko skrivenih varijabli kako bi se odlučilo o ishodu Belovog testa.
To znači da su zaista sablasno povezani.
U nauci je nevjerovatno važno testirati koncepte za koje vjerujemo da su tačni. I malo ko je igrao važniju ulogu u tome od Aspea. Kvantna mehanika je testirana iznova i iznova tokom prošlog vijeka i uspjela je da preživi.
Kvantna tehnologija
Možda običnom čovjeku nije jasno zašto je važno kako se mikroskopski svijet ponaša ili da se fotoni mogu zaplesti. Ovo je mjesto gdje Cajlingerova vizija zaista sija.
U prošlosti smo iskoristili naše znanje klasične mehanike za izgradnju mašina, za proizvodnju fabrika, što je dovelo do industrijske revolucije. Poznavanje ponašanja elektronike i poluprovodnika pokrenulo je digitalnu revoluciju.
Ali razumijevanje kvantne mehanike nam omogućava da je iskoristimo, da napravimo uređaje koji su sposobni da rade nove stvari. Zaista, mnogi vjeruju da će to pokrenuti sledeću revoluciju kvantne tehnologije.
Kvantna zapetljanost se može iskoristiti u računarstvu za obradu informacija na načine koji ranije nisu bili mogući. Otkrivanje malih promjena u zapletu može omogućiti senzorima da detektuju stvari sa većom preciznošću nego ikada ranije.
Komunikacija sa zamršenom svjetlošću takođe može garantovati sigurnost, jer merenja kvantnih sistema mogu otkriti prisustvo prisluškivača.
Cajlingerov rad je utro put kvantnoj tehnološkoj revoluciji pokazujući kako je moguće povezati niz zapletenih sistema zajedno, izgraditi kvantni ekvivalent mreže.
Godine 2022. ove primjene kvantne mehanike nisu naučna fantastika. Imamo prve kvantne računare. Kineski satelit Mo–cu koristi zapletenost kako bi omogućio sigurnu komunikaciju širom sveta. I kvantni senzori se koriste u aplikacijama od medicinskog snimanja do otkrivanja podmornica.
Konačno, Nobelova komisija za 2022. prepoznala je važnost praktičnih osnova za proizvodnju, manipulaciju i testiranje kvantnog zapleta i revoluciju koju on svojim otkrićima pokreće.
