Kuantum Fiziği Titanları Çığır Açan Ödül Kazandı

Kuantum hesaplamaya milyarlarca dolar akarken ve ülkeler kuantum şifreleme ile güvence altına alınmış iletişim ağları kurarken, kuantum bilgi biliminin önemini göz ardı etmek giderek zorlaştı.

Bu yılki Temel Fizikte Atılım Ödülü, “kuantum bilgi alanında temel çalışmalar” yapmak için matematik, bilgisayar bilimi ve fiziği birleştiren dört öncüyü onurlandırıyor. Ödül, IBM’den Charles Bennett, Montreal Üniversitesi’nden Gilles Brassard, Oxford Üniversitesi’nden David Deutsch ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Peter Shor arasında paylaşılıyor.

Cenevre Üniversitesi’nde deneysel bir kuantum fizikçisi olan Nicolas Gisin, “Bu dört kişi, kuantum bilgi teorisinin ortaya çıkmasına gerçekten büyük katkıda bulundu” diyor. “Bu ödüllerin kalbime daha da yaklaştığını görmek güzel.”

Atılım Ödülleri, 2012 yılında İsrailli-Rus milyarder ve fizikçi Yuri Milner tarafından ortaklaşa kuruldu ve kurucu ortaklar Mark Zuckerberg ve Sergey Brin de dahil olmak üzere diğer büyük şirketler tarafından cömertçe desteklendi. Nobel Ödülü’nü finanse eden serveti dinamit icadından doğan Alfred Nobel’e benzer şekilde, Milner’ın Kremlin’le geçmişteki mali bağları, özellikle Rusya’nın devam eden Ukrayna işgali ışığında, incelemeye çekildi. Milner, önceki röportajlarında bağımsızlığını ve Ukraynalı mültecilere yaptığı bağışları vurguladı. Bir sözcü işaret etti Bilimsel amerikalı Milner 2014 yılında ABD’ye yerleşti ve o zamandan beri Rusya’ya dönmedi.

Ancak kuantum bilgi biliminin tanınması her zaman kolay ya da böyle bir finansal destekle gelmedi. Genel olarak konuşursak, alan iki teorinin birleşimidir: atom ve atom altı dünyasının mantık dışı davranışını tanımlayan kuantum mekaniği ve hesaplama ve iletişimin matematiksel ve fiziksel sınırlarını ayrıntılandıran bilgi teorisi. Tarihi, geleneksel bilimsel dergiler tarafından genellikle göz ardı edilen sporadik ilerlemelerle daha karmaşık bir hikaye.

1968 yılında Daha sonra Columbia Üniversitesi’nde yüksek lisans öğrencisi olan Stephen Wiesner, polarize fotonlarla bilgiyi kodlamanın yeni bir yolunu geliştirdi. Wiesner, diğer şeylerin yanı sıra, kuantum durumlarının doğası gereği kırılgan doğasının, sahteciliğe karşı dayanıklı ürünler oluşturmak için kullanılabileceğini öne sürdü. kuantum para. Akılcı teorik fikirlerinin çoğunu yayınlayamayan ve dine yönelen Wiesner, geçen yıl vefat etti ve İsrail’de bir inşaat işçisi olmak için akademiyi büyük ölçüde bıraktı.

Wiesner Columbia’dan ayrılmadan önce bazı fikirlerini başka bir genç araştırmacıya aktardı. Bennett, “Oda arkadaşlarımın erkek arkadaşlarından biri bana ‘kuantum parası’ndan bahsetmeye başlayan Stephen Wiesner’dı” diye hatırlıyor. “[It] bana ilginç geldi, ama tamamen yeni bir alanın başlangıcı gibi görünmüyordu.” 1970’lerin sonlarında Bennett, Brassard ile tanıştı ve ikisi, kuantum banknot oluşturmak için fotonları aynalarla yakalamanın imkansız görevini gerektirebileceğini düşündükleri Wiesner’ın parasını tartışmaya başladılar.

Brassard, düşünce sürecini açıklarken, “Fotonların kalması değil, seyahat etmeleri gerekiyor” diyor. “Seyahat ederlerse, iletişim kurmaktan daha doğal ne olabilir?” Bennett ve Brassard protokolü önerilenaranan BB84, kuantum kriptografisi alanını başlatacaktı. Daha sonra ayrıntılı ve popüler Bilimsel amerikalıBB84, iki tarafın son derece gizlilikle mesaj alışverişinde bulunmasına izin verdi. Üçüncü bir taraf gözetlerse, bir kuantum balmumu mührüne zarar vermek gibi, müdahalelerinin silinmez kanıtlarını bırakırlardı.

Bennett ve Brassard kuantum kriptografisini geliştirirken, başka bir radikal fikir ortaya çıkmaya başlamıştı: kuantum hesaplama. Mayıs 1981’de Massachusetts, Dedham’daki MIT Endicott House’da şimdilerde ünlü olan bir toplantıda, fizikçi Richard Feynman önerilen kuantum ilkelerini kullanan bir bilgisayar, klasik fizik yasalarına bağlı bir bilgisayar için imkansız olan sorunları çözebilir. Konferansa katılmamasına rağmen, Deutsch bu fikri duydu ve bağımlısı oldu. “Hesaplama ve fizik arasındaki bağlantılara giderek daha fazla ikna oldum” diyor.

O yılın ilerleyen saatlerinde Bennett ile sohbet eden Deutsch, çok önemli bir aydınlanma yaşadı: o sırada hüküm süren hesaplama teorisi, daha derin kuantum gerçekliğinden ziyade, Isaac Newton’un “klasik” mekaniği ve Albert Einstein’ın göreli yaklaşımı gibi yanlış fiziğe dayanıyordu. “Bu yüzden, klasik teoriye dayandırmak yerine kuantum teorisine dayandırarak hesaplama teorisini yeniden yazacağımı düşündüm” diyor Deutsch gerçekçi bir şekilde. “Bundan temelde yeni bir şey çıkmasını beklemiyordum. Sadece daha titiz olmasını bekliyordum.” Ancak kısa süre sonra kendisinin olduğunu anladı. tarif etmek çok farklı bir bilgisayar türü. Aynı sonuçları elde etse bile, oraya kuantum mekaniğinin ilkeleriyle geldi.

Deutsch’un yeni teorisi, kuantum mekaniği ile bilgi teorisi arasında çok önemli bir bağlantı sağladı. Berkeley’deki California Üniversitesi’nde bilgisayar bilimcisi olan Umesh Vazirani, “Kuantum mekaniğini bilgisayar bilimi dilimde benim için erişilebilir hale getirdi” diyor. Daha sonra, Avustralyalı matematikçi Richard Josza, Deutsch ile Prensip kanıtı olarak önerilenklasik algoritmalardan katlanarak daha hızlı olacak ilk algoritma – pratik bir şey yapmamasına rağmen.

Ancak kısa süre sonra daha faydalı uygulamalar ortaya çıktı. 1991 yılında, Oxford’da yüksek lisans öğrencisi olan Artur Ekert, önerilen yeni bir kuantum kriptografi protokolü, E91. Teknik, önde gelen bir fizik dergisinde yayınlanmasının yanı sıra zarafeti ve pratikliği nedeniyle birçok fizikçinin dikkatini çekti. “Bu güzel bir fikir. Gisin, “Ekert’in bu yılki temel fizik Atılım Ödülü’nün kazananları listesinde yer almaması biraz şaşırtıcı” diyor.

İki yıl sonra, Bennett, Brassard, Josza, bilgisayar bilimi araştırmacısı Claude Crépeau ve fizikçiler Asher Peres ve William Wootters kuantum ışınlanma, fizikçiler dikkat ediyordu. bu yeni teknik bir tarafa, yazı tura sonucu gibi bilgileri başka bir tarafa iletme yeteneği verecektir. karışıklık, elektronlar gibi nesneleri bağlayabilen kuantum korelasyonu. Popüler bilimkurgu iddialarına rağmen bu teknik, ışıktan hızlı mesajlaşma– ancak gerçek dünyadaki kuantum iletişim olanaklarını çarpıcı biçimde genişletti. Chao-Yang Lu, “Bu en akıllara durgunluk veren fikir” diyor. Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nde uzaydan tekniğin uygulanmasına yardımcı olan bir kuantum fizikçisi.

“Devrim” gibi kelimeler, genellikle ağır ağır ilerleyen ve artan bilimdeki ilerlemeyi tanımlamak için aşırı kullanılır. Ancak 1994’te Shor sessizce bir tane başlattı. AT&T Bell Laboratuvarlarında çalışırken Vazirani ve Bennett’in konuşmalarını özümsemişti. “Kuantum bilgisayarla ne gibi yararlı şeyler yapabileceğinizi düşünmeye başladım” diyor. “Uzun bir atış olduğunu düşündüm. Ama çok ilginç bir bölgeydi. Bu yüzden üzerinde çalışmaya başladım. Aslında kimseye söylemedim.”

Diğer kuantum algoritmalarının periyodik veya tekrar eden görevlerle elde ettiği başarıdan ilham alan Shor, sayıları asal faktörlerine (örneğin, 21 = 7 x 3) herhangi bir klasik algoritmadan katlanarak daha hızlı bölebilen bir algoritma geliştirdi. Etkileri hemen belliydi: Asal çarpanlara ayırma, modern şifrelemenin bel kemiğiydi. Sonunda, kuantum bilgisayarlar gerçekten oyunun kurallarını değiştiren pratik bir uygulamaya sahipti. Shor’un algoritması Vazirani, kuantum hesaplama üzerinde çalışmak için “her şeyi bırakmanız gerektiğini kesinlikle açıkça belirttim” diyor.

Shor, kuantum bilgisayar için güçlü bir kullanım örneği bulmuş olsa da, teorik olarak bile, bir bilgisayarın nasıl oluşturulacağı gibi daha zor bir sorunu çözmemişti. Bu tür cihazların klasik hesaplamayı aşmak için yararlanabileceği kırılgan kuantum durumları, onları hatalara karşı son derece savunmasız hale getirdi. Üstelik klasik bilgisayarlar için hata düzeltme stratejileri kuantum bilgisayarlarda kullanılamıyordu. Undeterred, 1995 yılında İtalya’nın Torino kentinde düzenlenen bir kuantum bilgisayar konferansında, Kısa bahis diğer araştırmacılar bir kuantum bilgisayarın, klasik bir bilgisayardan önce 500 basamaklı bir sayıyı çarpanlarına ayıracağını söyledi. (Günümüzün klasik süper bilgisayarlarında bile, 500 haneyi çarpanlara ayırmak muhtemelen milyarlarca yıl alacaktı.) Kimse Shor’un bahsine girmedi ve bazıları üçüncü bir seçenek istedi: önce güneş sönecek.

Kuantum bilgisayarların başına iki tür hata gelir: bit hataları ve faz hataları. Bu hatalar, pusula iğnesini sırasıyla kuzeyden güneye veya doğudan batıya çevirmeye benzer. Ne yazık ki, bit hatalarını düzeltmek faz hatalarını daha da kötüleştirir ve bunun tersi de geçerlidir. Başka bir deyişle, daha kesin bir kuzey yönü, doğu veya batı yönünde daha az doğru bir yön ile sonuçlanır. Ancak daha sonra 1995 yılında Shor çözmek bit düzeltme ve faz düzeltme nasıl birleştirilir – tamamlanmış bir tarafı değiştirmeden bir Rubik Küpü çözmekten farklı olmayan bir işlem zinciri. Shor’un algoritması, kuantum bilgisayarlar daha güçlü hale gelene kadar etkisiz kalır (algoritma ile çarpanlara ayrılan en yüksek sayı 21’dir, bu nedenle klasik faktoring şimdilik önde kalır). Ancak yine de pratik olmasa da kuantum hesaplamayı mümkün kıldı. Brassard, “İşte o zaman her şey gerçek oldu” diyor.

Tüm bu çalışmalar, kuantum mekaniği ve hesaplamanın yeni görüşlerine yol açtı. Deutsch için bu, daha da temel bir “yapıcılar” teorisine ilham verdi – ki bunun “tüm fiziksel dönüşümler kümesini” tanımladığını söylüyor. Diğerleri, kuantum aleminden ortaya çıkan daha derin kavrayışların olasılığı konusunda agnostik kalır. Shor, “Kuantum mekaniği gerçekten garip ve bunu anlamanın kolay bir yolu olacağını hiç sanmıyorum” diyor. Kuantum hesaplama konusundaki çalışmasının gerçekliğin doğasını anlamayı kolaylaştırıp kolaylaştırmadığı sorulduğunda, “Kesinlikle onu daha gizemli kılıyor” diyor.

Bir eğlence veya eklektik entelektüel arayış olarak başlayan şey, şimdi alanın öncülerinin en çılgın hayallerinin çoğunun çok ötesine geçti. “Pratik olacağını hiç düşünmemiştik. Bu çılgın fikirleri düşünmek çok eğlenceliydi,” diyor Brassard. “Bir noktada ciddi olduğumuza karar verdik ama insanlar bizi takip etmedi. Bu sinir bozucuydu. Şimdi bu kadar tanınması son derece memnuniyet verici.”