Három tudós kapta a 2022-es 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.
A díjazott fizikusok kutatásokat végeztek összefonódott kvantumállapotokkal, ahol két részecske egy egységként viselkedik akkor is, ha egymástól távol vannak – olvasható az illetékes Nobel-bizottság közleményében.

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.
„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” – jegyezte meg Csanád Máté.
„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 és hozzátette, 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.

„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.

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 Nobel halálának évfordulóján adják át.