dimarts, 4 d’octubre del 2022

Entrellaçament fotònic i computació quàntica: Aspect, Clauster, Zeliniger, Premi Nobel de Física 2022

Física quàntica: La Reial Acadèmia Sueca de Ciències ha anunciat la concessió del Premi Nobel de Física a parts iguals a Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger "per experiments amb fotons entrellaçats que estableixen la violació de desigualtats de Bell i obren el camí a la ciència de la informació quàntica". L'entrellaçament de dues partícules implica un comportament quàntic comú que es manté amb independència de l'allunyament entre elles. Aquest fenomen és rellevant en aplicacions telemàtiques (ordinadors quàntics, xarxes quàntiques o encriptació quàntica). El premi és dotat en 10 milions de corones sueques que es repartiran entre els tres.

Esquema d'un experiment sobre l'entrellaçament quàntic viola la desigualtat de Bell. Una font (S) de fotons emet parelles de fotons en un estat de superposició (ν1 i ν2) la polarització dels quals es mesurada pels polaritzadors P1 i P2. La correlació de resultats entre els dos polaritzadors no hauria de superar el nivell teòric calculat per Bell. Però ho supera, la qual cosa és indicativa que en l'entrellaçament quàntic no actuen variables locals amagades.

Alain Aspect

Alain Aspect (*Agen, 15.6.1947) estudià a l'École Normale Supérieure de Cachan i es doctorà a la Universitat de Paris-Sud a Orsay, el 1983. És professor de la Université Paris-Saclay i de l'École Polytechnique de Palaiseau.

John F. Clauser

John Francis Clauser (*Pasadena, 1.10.1942) es graduà en física al California Institute of Technology (1964), on obtingué un mestratge (1966). Es doctorà a la Universitat de Colúmbia el 1969. Desenvolupà la seva carrera acadèmica entre el 1969 i el 1996 al Lawrence Berkeley National Laboratory, Lawrence Livermore National Laboratory i a la University of California, Berkeley. La seva companyia, J. F. Clauser & Associates, té seu a Walnut Creek, Califòrnia.

Anton Zeilinger

Anton Zeilinger (*Reid im Innkreis, 20.5.1945) es doctorà a la Universitat de Viena el 1971 sota la supervisió de Helmut Rauch sobre la despolarització de neutrons en cristalls de disprosi (Rauch & Zeilinger, 1972). És professor de la Universitat de Viena. És conegut pels seus treballs sobre mesures sense interacció (Kwiat et al., 1995), per l'estat GHZ de sistemes d'entrellaçament quàntic de tres o més subsistemes (Greenberger et al., 2007) i per experiments en codificació superdensa (Mattle et al., 1996).

Entrellaçament quàntic

L'entrellaçament de dues partícules implica que els seus estats quàntics són mútuament dependents. Que aquesta dependència es mantingui quan les partícules del parell entrellaçat són separades implicaria alguna mena d'interacció a distància. Alternativament, la correlació entre les dues partícules podria obeir a variables amagades. John Stewart Bell treballa sobre aquesta qüestió i desenvolupà la desigualtat matemàtica que les variables amagades introduïen a la correlació entre les partícules entrellaçades. No obstant la mecànica quàntica predeia que la desigualtat de Bell seria depassada en certs experiments quàntics.

John F. Clauser conduí amb Stuart Freedman (1944-2012) un experiment quàntic amb fotons emesos en una cascada atòmica de calci que violava la desigualtat de Bell (Freedman & Clauser, 1972) Les variables amagades, doncs, no podien explicar la no-localitat de l'entrellaçament quàntic (Clauser & Horne, 1974).

L'experiment de Clauser fou qüestionat per la possible influència del dispositiu de mesura en l'entrellaçament dels fotons. Alain Aspect proposà un sistema que desconnectava el dispositiu de mesura després de l'emissió de fotons entrellaçats (Aspect, 1976). Aquest sistema va permetre el seu grup de realitzar experimentalment l'experiment pensat dècades abans per Albert Einstein, Boris Podolsky, Nathan Rosen o David Bohm (Aspect et al., 1982). Els resultats indicaven que l'entrellaçament fotònic seguia les prediccions teòriques de la mecànica quàntica i violava considerablement les desigualtats generalitzades de Bell: no hi havia ombra de variables locals amagades.

El grup d'Anton Zeilinger investigà aplicacions dels fotons entrellaçats. Demostrà experimentalment la teleportació quàntica en la transmissió de polarització en un parell de fotons entrellaçats (Bouwmeester et al., 1997). La teleportació quàntica consisteix en la transferència a distància d'un estat quàntic.

Diagrama d'un sistema de teleportació quàntica de l'estat de polarització d'un fotó a un altre

Lligams:

- Pressmeddelande: Nobelpriset i fysik 2022.

- Experimental test of local hidden-variables theories. Stuart J. Freedman & John F. Clauser. Phys. Rev. Lett. 28: 938 (1972).

- Proposed experiment to test the nonseparability of quantum mechanics Alain Aspect. Phys. Rev. D 14: 1944 (1976).

- Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell's Inequalities. Alain Aspect, Philippe Grangier, Gérard Roger. Phys. Rev. Lett. 49: 91 (1982).

- Experimental quantum teleportation. Dik Bouwmeester, Jian-Wei Pan, Klaus Mattle, Manfred Eibl, Harald Weinfurter, Anton Zeilinger. Nature 390: 575-579 (1997).