Anton Zeilinger - Anton Zeilinger

Anton Zeilinger
Zeilinger se sochou od Voss-Andreae.jpg
Anton Zeilinger držící sochu Juliana Voss-Andreae , foto J. Godany
narozený ( 1945-05-20 )20. května 1945 (věk 76)
Ried im Innkreis , Rakousko
Národnost rakouský
Známý jako Kvantová teleportace
Bell testovací experimenty
Elitzur – Vaidman experiment s testerem bomb
Greenberger – Horne – Zeilinger stav
GHZ experiment
Superdense kódování
Ocenění Klopsteg Memorial Award (2004)
Isaac Newton Medal (2007)
Wolf Prize in Physics (2010)
Vědecká kariéra
Pole Fyzika , kvantová mechanika
Instituce University of Vienna
Technical University of Munich
Technical University of Vienna
Massachusetts Institute of Technology
Collège de France
Merton College, Oxford
Doktorský poradce Helmut Rauch
Doktorandi Stefanie Barz
Jianwei Pan
Thomas Jennewein

Anton Zeilinger ( Němec: [tsaɪlɪŋɐ] ; narozený 20 května 1945) je rakouská kvantový fyzik, který v roce 2008 obdržel Inaugurační Isaac Newton medaile z Ústavu fyziky (UK) pro „své průkopnické koncepční a experimentální příspěvky na základech kvantové fyziky , které se staly základním kamenem rychle se rozvíjející oblasti kvantové informace “. Zeilinger je profesorem fyziky na Vídeňské univerzitě a vedoucím vědeckého ústavu Institutu pro kvantovou optiku a kvantové informace IQOQI při Rakouské akademii věd . Většina jeho výzkumu se týká základních aspektů a aplikací kvantového zapletení .

Životopis

Anton Zeilinger, narozen v roce 1945 v Rakousku, zastával pozice na Technické univerzitě ve Vídni a na univerzitě v Innsbrucku . Zastával hostující pozice na Massachusetts Institute of Technology (MIT), na Humboldtově univerzitě v Berlíně, Merton College v Oxfordu a Collège de France (Chaire Internationale) v Paříži. Zeilingerova ocenění zahrnují Wolfovu cenu za fyziku (2010), Inaugurační medaili Isaaca Newtona z IOP (2007) a Mezinárodní cenu krále Faisala (2005). Je členem sedmi vědeckých akademií. Anton Zeilinger současné době je profesorem fyziky na univerzitě ve Vídni a vedoucí vědecký pracovník v institutu pro kvantovou optiku a Quantum Informace o Rakouské akademie věd , na jejíž předsednictví byl nedávno zvolen. Od roku 2006 je Zeilinger místopředsedou správní rady Institutu vědy a technologie Rakousko , ambiciózního projektu iniciovaného Zeilingerovým návrhem. V roce 2009 založil mezinárodní akademii Traunkirchen, která se věnuje podpoře nadaných studentů ve vědě a technice. Je fanouškem Stopařova průvodce po Galaxii od Douglase Adamse a jde tak daleko, že pojmenuje svou plachetnici 42 .

Práce

Zeilinger pracuje v základech kvantové mechaniky . Spolu s Danielem Greenbergerem a Michaelem Hornem objevil nové protiintuitivní rysy stavů tří a čtyř částic. Byl prvním, kdo se svým týmem realizoval experimenty. Tím se otevřelo pole rušení více částic a kvantových korelací více částic. Pomocí zde vyvinutých metod provedl první kvantovou teleportaci nezávislého qubitu . Poté následovala realizace propletení záměny , nejzajímavějšího konceptu, kdy je zamotaný stav teleportován.

Po této práci následovaly četné testy Bellových nerovností , včetně testu Kosmického Bell . Další zásadní experimenty se týkaly Leggettových nelokálních realistických teorií , testů kvantové kontextuality v experimentech Kochen-Specker a experimentů na nelokálním Schrödingerově řízení se zapletenými stavy.

Mnoho z těchto výsledků se stalo důležitými ve vývoji kvantové informační technologie, kde také prováděl průkopnické experimenty. Jeho experiment na kvantově hustém kódování byl první, který pomocí spletení demonstroval primitiva, což v klasické fyzice není možné . Realizoval také první experiment kvantové kryptografie založený na zapletení a později kvantovou komunikaci na rostoucí vzdálenosti a implementaci vyšších dimenzionálních stavů se zvyšující se informační kapacitou. Možné aplikace také zahrnují jednosměrné kvantové výpočty a slepé kvantové výpočty . Mezi jeho další příspěvky k experimentálním a koncepčním základům kvantové mechaniky patří interference hmotných vln od neutronů přes atomy až po makromolekuly, jako jsou fullereny .

Kvantová teleportace

Nejznámější je jeho první realizace kvantové teleportace nezávislého qubitu. Později tuto práci rozšířil o vývoj zdroje pro volné šíření teleportovaných qubitů a kvantové teleportace přes 144 kilometrů mezi dvěma Kanárskými ostrovy. Kvantová teleportace je základním konceptem mnoha kvantových informačních protokolů. Kromě své role v přenosu kvantových informací je také považován za důležitý možný mechanismus pro stavbu bran v kvantových počítačích.

Zaměňování zapletení - teleportace zapletení

Výměna zapletení je teleportace zapleteného stavu. Po svém návrhu byla záměnná záměna poprvé experimentálně realizována Zeilingerovou skupinou v roce 1998. Poté byla použita k provedení testu opletení se zpožděnou volbou. Zaměňování zapletení je zásadní složkou kvantových opakovačů, od kterých se očekává, že propojí budoucí kvantové počítače.

Zapletení za dva qubity-stavy GHZ a jejich realizace

Anton Zeilinger rozhodujícím způsobem přispěl k otevření oblasti vícečásticového zapletení. V roce 1990 pracoval jako první s Danielem Greenbergerem a Michaelem Hornem na zapletení více než dvou qubits. Výsledná GHZ věta (viz Greenberger – Horne – Zeilingerův stav ) je zásadní pro kvantovou fyziku, protože poskytuje nejstručnější rozpor mezi místním realismem a předpověďmi kvantové mechaniky.

Stavy GHZ byly vůbec prvními případy zkoumání více částic. Stavy zapletené do více částic překvapivě vykazují kvalitativně odlišné vlastnosti ve srovnání se zapletením dvou částic. V 90. letech se stalo hlavním cílem Zeilingerova výzkumu realizovat takové stavy GHZ v laboratoři, což vyžadovalo vývoj mnoha nových metod a nástrojů.

Nakonec se mu v roce 1999 podařilo poskytnout první experimentální důkaz zapletení za dvě částice a také první test kvantové nelokality pro stavy GHZ. Byl také prvním, kdo si uvědomil, že existují různé třídy vyšších dimenzionálních zapletených stavů a ​​navrhovaných W stavů. Stavy více částic se dnes staly základním pracovním koněm kvantových výpočtů, a proto se stavy GHZ dokonce staly samostatnou položkou v kódu PACS .

Kvantová komunikace, kvantová kryptografie, kvantové výpočty

V roce 1996 realizoval Anton Zeilinger se svou skupinou hyperhusté kódování. Tam lze do jednoho qubitu zakódovat více než jeden klasický bit informace. Jednalo se o první realizaci kvantového informačního protokolu se zapleteným stavem, kde je člověk schopen dosáhnout něčeho nemožného s klasickou fyzikou.

V roce 1998 (publikováno v roce 2000) jeho skupina jako první implementovala kvantovou kryptografii se zapletenými fotony . Skupina Zeilinger nyní ve spolupráci s průmyslem vyvíjí také prototyp kvantové kryptografie.

Poté také aplikoval kvantové zapletení do optických kvantových výpočtů , kde v roce 2005 provedl první implementaci jednosměrného kvantového výpočtu. Toto je protokol založený na kvantovém měření, jak navrhli Knill, Laflamme a Milburn. V poslední době se ukázalo, že k implementaci slepého kvantového výpočtu lze použít jednosměrné kvantové výpočty. To řeší problém v cloud computingu , totiž že jakýkoli algoritmus, který klient používá na kvantovém serveru, je pro operátora serveru zcela neznámý, tj. Slepý.

Experimenty Zeilingera a jeho skupiny na distribuci zapletení na velké vzdálenosti začaly kvantovou komunikací a teleportací mezi laboratořemi umístěnými na různých stranách řeky Dunaj jak ve volném prostoru, tak na vláknové bázi . To bylo poté rozšířeno na větší vzdálenosti přes město Vídeň a přes 144 km mezi dvěma Kanárskými ostrovy , což vedlo k úspěšné demonstraci, že kvantová komunikace se satelity je možná. Jeho snem je dát zdroje zapleteného světla na satelit na oběžné dráze. Prvního kroku bylo dosaženo během experimentu na italské observatoři Matera Laser Ranging Observatory.

Další román zapletené státy

Anton Zeilinger se svou skupinou významně přispěl k realizaci nových zapletených stavů. Zdroj fotonových párů popletených polarizací, který vyvinul Paul Kwiat  [ de ], když byl PostDoc ve Zeilingerově skupině, se stal pracovním koněm v mnoha laboratořích po celém světě. První demonstrace zapletení orbitální hybnosti hybnosti fotonů otevřela v mnoha laboratořích nové rostoucí pole výzkumu.

Makroskopická kvantová superpozice

Zeilinger má také zájem rozšířit kvantovou mechaniku do makroskopické domény. Na začátku 90. let zahájil experimenty v oblasti atomové optiky. Vyvinul řadu způsobů, jak koherentně manipulovat s atomovými paprsky, z nichž mnohé se, stejně jako koherentní energetický posun atomové vlny De Broglie po difrakci na časově modulované světelné vlně, staly základními kameny dnešních experimentů s ultra studenými atomy. V roce 1999 opustil Zeilinger atomovou optiku pro experimenty s velmi složitými a masivními makromolekulami- fullereny . Úspěšná demonstrace kvantové interference pro tyto molekuly C 60 a C 70 v roce 1999 otevřela velmi aktivní oblast výzkumu. Mezi klíčové výsledky patří dosud nejpřesnější kvantitativní studie dekoherence tepelného záření a atomových srážek a první kvantová interference komplexních biologických makromolekul. V této práci pokračuje Markus Arndt  [ de ] .

V roce 2005 Zeilinger se svou skupinou znovu zahájil nové pole, kvantovou fyziku mechanických konzol. Tato skupina byla první-v roce 2006 spolu s prací Heidmanna v Paříži a Kippenberga v Garchingu-experimentálně demonstrovala samochlazení mikro zrcadla tlakem záření , tedy bez zpětné vazby. Tento jev lze chápat jako důsledek spojení mechanického systému s vysokou entropií s radiačním polem s nízkou entropií. V této práci nyní nezávisle pokračuje Markus Aspelmeyer .

Pomocí orbitálních momentů hybnosti dokázal prokázat zapletení momentu hybnosti až do 300 ħ.

Další zásadní testy

Zeilingerův program základních testů kvantové mechaniky je zaměřen na implementaci experimentálních realizací mnoha neklasických vlastností kvantové fyziky pro jednotlivé systémy. V roce 1998 poskytl závěrečný test Bellovy nerovnosti uzavírající komunikační mezeru pomocí superrychlých generátorů náhodných čísel. Jeho skupina také realizovala první experiment Bellovy nerovnosti implementující podmínku svobody volby a poskytla první realizaci Bellova testu bez předpokladu spravedlivého vzorkování fotonů. Všechny tyto experimenty jsou nejen zásadního zájmu, ale také důležité pro kvantovou kryptografii. V roce 2015, ve stejné době jako skupina Ronalda Hansona na Delft University of Technology a skupina Sae-Woo Nam v Národním institutu pro standardy a technologie (NIST) , uzavřela Zeilingerova skupina lokalizační a detekční mezery v Bell experimentech, což potvrzuje kvantovou mechaniku a vylučuje teorie, které uspokojují místní příčinnou souvislost, a poskytuje definitivní důkaz, že kvantová kryptografie může být bezpodmínečně bezpečná.

Mezi dalšími základními testy, které provedl, je nejpozoruhodnější jeho test velké třídy nelokálních realistických teorií navržený Leggettem . Skupina teorií vyloučených tímto experimentem může být klasifikována jako ty, které umožňují rozumné rozdělení souborů na podskupiny. Výrazně překračuje Bellovu větu . Zatímco Bell ukázal, že teorie, která je jak lokální, tak realistická, je v rozporu s kvantovou mechanikou, Leggett uvažoval o nelokálních realistických teoriích, kde se předpokládá, že jednotlivé fotony nesou polarizaci. Ukázalo se, že výsledná Leggettova nerovnost je v experimentech skupiny Zeilinger porušena.

Analogickým způsobem jeho skupina ukázala, že i kvantové systémy, kde zapletení není možné, vykazují neklasické rysy, které nelze vysvětlit podkladovými nekontextovými rozděleními pravděpodobnosti. Očekává se, že tyto poslední experimenty také otevřou nové způsoby kvantové informace.

Neutronová interferometrie

Nejranější dílo Antona Zeilingera je možná jeho nejméně známé. Jeho práce na neutronové interferometrii poskytla důležitý základ pro jeho pozdější úspěchy ve výzkumu. Jako člen skupiny vedoucího své diplomové práce Helmuta Raucha na Technické univerzitě ve Vídni se Zeilinger účastnil řady experimentů s neutronovou interferometrií na Institut Laue – Langevin (ILL) v Grenoblu. Jeho úplně první takový experiment potvrdil zásadní predikci kvantové mechaniky, změnu znaménka fáze spinoru při rotaci. Následovala první experimentální realizace koherentní spinové superpozice vln hmoty . Pokračoval ve své práci v neutronové interferometrii na MIT s CG Shull ( laureát Nobelovy ceny ) se zaměřením konkrétně na dynamické difrakční efekty neutronů v dokonalých krystalech, které jsou důsledkem vícevlnové koherentní superpozice. Po svém návratu do Evropy vybudoval interferometr pro velmi studené neutrony, který předcházel pozdějším podobným experimentům s atomy. Základní experimenty tam zahrnovaly nejpřesnější test linearity kvantové mechaniky a nádherný dvojrozměrný difrakční experiment s pouze jedním neutronem najednou v aparátu. Ve skutečnosti v tomto experimentu, zatímco byl jeden neutron registrován, další neutron stále přebýval ve svém jádru uranu a čekal na štěpení.

Poté, jako profesor na univerzitě v Innsbrucku, Zeilinger zahájil experimenty se zapletenými fotony, protože nízká hustota fázového prostoru neutronů produkovaných reaktory vylučovala jejich použití v takových experimentech. Během celé své kariéry, od TU Vídeň přes Innsbruck a zpět na Vídeňskou univerzitu, měl Zeilinger na práci svých kolegů i konkurentů nejslavnější účinek, vždy si všímal souvislostí a rozšíření, které je třeba zkoumat, a neochvějně sdílel poznámky, které zlepšily oblast kvantové mechaniky od základní až po čistě aplikovanou práci.

Vyznamenání a ocenění

Mezinárodní ceny a ocenění

Rakouské ceny a ocenění

Další rozdíly

Významné lektoráty

V populární kultuře

Zeilinger byl dotazován Morganem Freemanem v sezóně 2 Through the Wormhole .

Reference

externí odkazy