Csanád Máté: a tudomány alapjait érintő kérdést vizsgálták a díjazott kvantumfizikusok

A kvantumfizikai véletlen szerepének pontosításában végeztek döntő fontosságú kísérleteket a fizikai Nobel-díjjal kitüntetett tudósok, akiknek az eredményei alapvető jelentőségűek a kvantuminformatika fejlődésében és a kvantumtitkosításban is – mondta Csanád Máté fizikus, az ELTE Természettudományi Kar Fizikai Intézet Atomfizikai Tanszékének egyetemi tanára az MTI-nek annak kapcsán, hogy kvantumfizikai kutatásaiért Alain Aspect francia, John F. Clauser amerikai és Anton Zeilinger osztrák fizikus kapja az idei fizikai Nobel-díjat.

Úttörő kvantumfizikai kutatásaiért három tudós kapja a fizikai Nobel-díjat

Az elismerést „az összefonódott fotonokkal végzett kísérleteikért, a Bell-egyenlőtlenség sérülésének megállapításáért, valamint a kvantuminformatika területén végzett úttörő kutatásaikért” ítélték a tudósoknak az akadémia méltatása alapján.

Alain Aspect, John Clauser és Anton Zeilinger úttörő kutatásokat végeztek el összefonódott kvantumállapotokkal, ahol két részecske egy egységként viselkedik akkor is, ha egymástól távol vannak – olvasható az illetékes Nobel-bizottság közleményében.

A három tudós eredményei utat nyitottak a kvantuminformáción alapuló új technológiák számára. Az alkalmazási területek között vannak ma már a kvantumszámítógépek, a kvantumhálózatok és a kommunikáció kvantumos titkosítása is.

Ennek a fejlődésnek az egyik kulcsfontosságú tényezője, hogy a kvantummechanika lehetővé teszi, hogy két vagy több részecske úgynevezett összefonódott állapotban létezzen. Ami egy összefonódott párban az egyik részecskével történik, meghatározza azt, ami a másikkal történik, még akkor is, ha távol vannak egymástól.

Hosszú időn át az volt a kérdés, hogy vajon azért áll-e fenn ez a kapcsolat, mert az összefonódott pár tagjai rejtett változókat, instrukciókat tartalmaznak, melyek „megmondják nekik”, hogy milyen eredményt kell adniuk egy kísérletben.

1960-ban John Stewart Bell kifejlesztette a később róla elnevezett matematikai egyenlőtlenséget, amely szerint ha vannak rejtett változók, akkor a sok mérés eredményei közötti korreláció sosem halad meg egy bizonyos értéket. Ezzel szemben a kvantummechanika azt jósolja, hogy egy bizonyos fajta kísérlet megsérti a Bell-egyenlőtlenséget, ezzel erősebb korrelációt eredményez, mint ami másképp lehetséges volna.

John Clauser gyakorlati kísérletekkel igazolta a Bell-egyenlőtlenség sérülését. Ez azt jelentette, hogy a kvantummechanika nem helyettesíthető olyan elmélettel, amely rejtett változókat használ.

Néhány „kiskapu” azonban Clauser kísérlete után is maradt, Alain Aspect ezért tovább fejlesztette a kísérleteket, és sikerült bezárnia egy fontos kiskaput. A mérési beállításokat át tudta kapcsolni azután, hogy egy összefonódott pár elhagyta a forrását, így a kibocsátásukkor létező beállítás nem befolyásolta az eredményt.

Az összefonódott kvantumállapotokat Anton Zeilinger finom eszközökkel kezdte használni egy hosszú kísérletsorozatban. Kutatócsoportja – egyebek mellett – kimutatta az úgynevezett kvantumteleportálást, amely lehetővé teszi, hogy egy kvantumállapotot távolról átvigyen az egyik részecskéről a másikra.

„Egyre világosabb, hogy egy új fajta kvantumtechnológia van kialakulóban. Láthatjuk, milyen nagy a jelentősége a díjazottak össszefonódott állapotokkal végzett munkájának, amely még a kvantummechanika értelmezésének alapvető kérdésein is túlmutat”

– – magyarázta Anders Irbäck, a fizikai Nobel-bizottság elnöke.

Alain Aspect 1947-ben született a franciaországi Agenben, 1983-ban szerezte meg doktori fokozatát az Orsay Egyetemen (a későbbi Paris-Sud Egyetemen). Ezt követően három évig Kamerunban tanított. A Francia Tudományos Akadémia és a Francia Technológiai Akadémia tagja, az Paris-Saclay Egyetem és a palaiseaui Műszaki Egyetem professzora.

John F. Clauser 1942-ben született a kaliforniai Pasadenában. A Walnut Creek-i J.F. Clauser & Associates kutatóintézetben dolgozik. A Columbia Egyetemen 1966-ban fizikából diplomázott, majd 1969-ben doktorált. 1969 és 1996 között a Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium, a Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium és a Kaliforniai Egyetem, Berkeley kutatója volt. 

Anton Zeilinger osztrák kvantumfizikus 1945-ben született. Tanulmányokat folytatott a Bécsi Műszaki Egyetemen, az Innsbrucki Egyetemen, a Massachusettsi Műszaki Egyetemen (MIT) és a berlini Humboldt Egyetemen is. A Bécsi Egyetem kutatója. 2007-ben megkapta az Isaac Newton Medált. 2006 óta az Ausztriai Tudományos és Technológiai Intézet kuratóriumának alelnöke. 2009-ben megalapította a Traunkircheni Nemzetközi Akadémiát, amely a természettudományok és a technológia területén tehetséges diákok támogatásával foglalkozik.

A három tudós – aki 2010-ben együtt kapta meg a Wolf-díjat is – a Nobel-díjjal járó 10 millió svéd koronán (375 millió forintnyi összegen) egyenlően osztozik majd. A díjat hagyományosan december 10-én, az elismerést alapító Alfred Nobelhalálának évfordulóján adják át.

„A 20. század elején rengeteg olyan jelenségre derült fény, amelyek az akkori fizika nyelvén nem voltak érthetőek. Ahhoz, hogy ezek a jelenségek megmagyarázhatóvá váljanak, valami újat, valami pluszt kellett bevezetni, és ez volt a kvantumvilág”

– magyarázta Csanád Máté az előzményekről szólva.

Hozzátéve, hogy a kvantummechanika közben a fizikának egy olyan ágává vált, amelynek több olyan furcsának tűnő, a hétköznapi tapasztalatainktól eltérő eleme van, például a szuperpozíció elve (amely szerint egy részecske többféle állapot keverékében lehet) vagy az összefonódottság (amelyre a Nobel-díjas fizikusok kutatása vonatkozott).

A kvantumvilág felfedezésekor az egyik első megfigyelés az volt, hogy a kísérletek eredményében van valami véletlenszerű, nem determinisztikusnak tűnő elem. Például amikor az úgynevezett kétréskísérletben azt vizsgálták, hogy hova csapódik be a réseken áthaladó foton, azt látták, hogy minden egyes foton esetében véletlenszerű a becsapódás helye.

„Noha a becsapódások eloszlása ismert, az egyes részecskék esetén nem tudunk egyetlen konkrét előrejelzést tenni. Ez a véletlenszerűség lett a kvantumfizika filozófiai alapkérdése, amely persze  nagyon zavarja az ilyen filozófiai kérdéseken gondolkozó fizikusokat”

– fogalmazott Csanád Máté, hozzátéve, hogy erre keresték a választ a Nobel-díjas tudósok is.

Az elmúlt évtizedekben a kutatók többféle magyarázatot is felvetettek a kvantumfizikában tapasztalt furcsaságokra. Az egyik az volt, hogy a természetben léteznie kell egy ilyen véletlenszerű, indeterminisztikus elemnek. A másik lehetőség szerint van valami rejtett változó, egy olyan tulajdonsága a részecskéknek, amit még nem ismernek a tudósok és ez dönti el például azt is, hogy hova csapódnak be a fotonok. A harmadik lehetőség pedig a szuperdeterminizmus, amely szerint előre elrendeltetett, hogy a részecskével mi fog történni.

A rejtett változók lehetőségére vonatkozóan John S. Bell ír fizikus végzett alapvető számításokat, felállított néhány, tetszőleges lokális változóra érvényes egyenlőtlenséget. Gondolatmenetének alapja az „összefonódottság”, amely akkor jön létre, ha két részecske egy közös okból keletkezik, méghozzá úgy, hogy valamely tulajdonságuk (például lendületük, perdületük) matematikai kapcsolatban áll (például ellentétes irányú). Ekkor az egyik részecskén végzett mérés a másik – akár térben nagyon eltávolodott – részecske állapotára vonatkozóan is adhat információt. Ilyenkor a megfigyelt tulajdonságaik korrelációira vonatkozó Bell-egyenlőtlenségeket vizsgálták a fizikusok.

Az 1970-es évektől elvégzett kísérleteik nyomán kiderült, hogy a Bell-egyenlőtlenségek sérülnek, vagyis, ha van is ilyen rejtett változó, akkor az nem lehet lokális jellegű, azaz a fénynél gyorsabban terjedő hatással kell bírnia.

„Ezt szintén nem szeretik a tudósok: a fénysebességnél gyorsabban terjedő hatással a múltba tudnánk üzenni, és ez nem túl valószínű, hogy lehetséges. Jelenleg azt gondolják, hogy az összefonódottság nem hozhat létre a fénynél gyorsabb információközlést, tehát a rejtett változók nem igazán jelentenek jó magyarázatot a kvantumvéletlen megjelenésére”

– mondta a magyar kutató.

A harmadik lehetőséggel kapcsolatban Anton Zeilinger kutatócsoportja egy kísérlet során távoli kvazárokból érkezve vizsgálta meg a fotonokat. Egy, a Földtől 7,8 milliárd fényévnyi távolságra lévő kvazár fotonjait vizsgálta, illetve az ebből és más kvazárokból érkező fotonok párjainak összefonódottságát.  Kutatásai nyomán a szuperdeterminizmus által létrehozott korrelációk minimális időtartamát 7,8 milliárd évre lehetett kitolni.  

„Ez azt jelentené, hogy amennyiben meg van előre határozva, hogy hol csapódik be a foton, akkor annak a meghatározottságnak legalább ennyi időre vissza kellene nyúlnia. Ez szintén nagyon furcsa koncepció, ténylegesen szinte az Ősrobbanás óta fennálló korrelációkat jelentene, mintegy eleve elrendelve tetszőleges mérés eredményét”

– tette hozzá az ELTE kutatója.

Csanád Máté hozzáfűzte: „most ott tartunk, hogy van három nagyon furcsa koncepciónk, bár egyiket sem szeretjük igazán, ezek közül legtöbben a véletlen létét tartják a leginkább elfogadhatónak. 

„A díjazott tudósok munkásságuk során tulajdonképpen azt, a tudomány alapjait érintő kérdést vizsgálták, hogy determinisztikus-e a világ vagy sem, és egyre fejlettebb kísérleteikkel egyre több olyan kiskaput zártak be, amelyek a véletlentől eltérő lehetőségeknek adtak volna teret”

– mutatott rá.

Hozzátéve: Alain Aspect és társai ezeknek a lehetőségeknek a kizárásában és a véletlen szerepének a pontosításában végeztek döntő fontosságú kutatásokat. 

Mint Csanád Máté kiemelte, az említett alapvető kérdésektől függetlenül a kvantumfizika működik. Ez azt jelenti, hogy olyan berendezéseket tudunk tervezni és üzemeltetni ez alapján, mint a félvezetőkön alapuló számítógépek és adattárolók, vagy éppen az orvosi képalkotó eszközök.

Az idei díjazottak kutatásainak a kvantuminformatika megértésében, fejlődésében, illetve a kvantumtitkosításban is alapvető jelentőségük van.

Svante Pääbo: “az édesanyám volt a legnagyobb hatással az életemre”