Антон Цайлингер: Квант физигінің өмір жолы мен ғылыми еңбектері
Anton Zeilinger
Антон Цайлингер – австриялық квант физигі, квант ақпараты саласындағы негізгі зерттеуші. 1945 ж. туған, Вена университетін бітірген. Жетістіктері мен марапаттары туралы оқыңыз.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Аустриялық квант физигі
Austrian quantum physicist
2007 жылы Зейлингер Лондон Физика институтының алғашқы Исаак Ньютон медалін "кванттық физика негіздеріне оның жаңашыл тұжырымдамалық және тәжірибелік үлесі үшін, бұл кванттық ақпараттың қарқынды дамып келе жатқан саласының іргетасы болды" деп алды.
In 2007, Zeilinger received the first Inaugural Isaac Newton Medal of the Institute of Physics, London, for "his pioneering conceptual and experimental contributions to the foundations of quantum physics, which have become the cornerstone for the rapidly evolving field of quantum information".
Ерте өмір және білім
Антон Зелингер 1945 жылы Жоғарғы Австриядағы Рид-им-Инкрейс қаласында дүниеге келді. 1963-1971 жылдары Вена университетінде физиканы оқыды. 1971 жылы Вена университетінен Гельмут Раухтың жетекшілігімен "Dy бір кристалындағы нейтронның поляризациясының жоғалуын өлшеу" тақырыбында диссертация қорғап, доктор ғылымының кандидаты атағын алды. 1979 жылы Вена технологиялық университетінде хабилитациядан өтіп, университет оқытушысы болып бекітілді.
Anton Zeilinger was born in 1945 in Ried im Innkreis, Upper Austria, Austria. He studied physics at the University of Vienna from 1963 to 1971. He received a doctorate from the University of Vienna in 1971, with a thesis on "Neutron depolarization measurements on a Dy single crystal" under Helmut Rauch. He qualified as a university lecturer (habilitation) at the Vienna University of Technology in 1979.
Мансап
1970 жылдары Зейлингер Вена атом институтында ғылыми көмекші, кейіннен 1979 жылға дейін Массачусетс технология институтының нейтронды дифракция зертханасында қатысушы зерттеуші болып жұмыс істеді. Сол жылы ол Вена технология университетінде университет профессоры атағын алды. 1981 жылы Зейлингер физика факультетінің доценті ретінде 1983 жылға дейін МТИ-ге қайта оралды. 1980-1990 жылдары Вена технология университетінде, Мюнхен техникалық университетінде, Инсбрук университетінде және Вена университетінде профессор болып жұмыс істеді. Ол сондай-ақ 2004-2013 жылдар аралығында Венадағы Кванттық оптика және кванттық ақпарат институтының ғылыми директоры болды. 2006 жылдан бері Зейлингер Зейлингердің ұсынысымен басталган амбициялы жоба – Австрия Ғылым және Технология институтының қамқоршылар кеңесі төрағасының орынбасары. 2009 жылы ол ғылым мен технология саласындағы дарынды студенттерді қолдауға арналған Трункирхен халықаралық академиясын құрды. Ол Дуглас Адамстың "Галактикаға жолдама" кітабының жанкүйері, тіпті өзінің желкенді қайығын 42 деп атады.
In the 1970s, Zeilinger worked at the Vienna Atominstitut as a research assistant and later as an associate researcher at the Massachusetts Institute of Technology Neutron Diffraction Laboratory until 1979, when he accepted the position of assistant professor at the same Atominstitut. That year he qualified as a university professor. at the Vienna University of Technology. In 1981 Zeilinger returned to MIT, as an associate professor on the physics faculty, until 1983. Between 1980 and 1990 he worked as a professor at the Vienna University of Technology, the Technical University of Munich, the University of Innsbruck and the University of Vienna. He was also the scientific director of the Institute for Quantum Optics and Quantum Information in Vienna between 2004 and 2013. Since 2006, Zeilinger is the vice chairman of the board of trustees of the Institute of Science and Technology Austria, an ambitious project initiated by Zeilinger's proposal. In 2009, he founded the International Academy Traunkirchen, which is dedicated to the support of gifted students in science and technology. He is a fan of the Hitchhiker's Guide To The Galaxy by Douglas Adams, going so far as to name his sailboat 42.
Кванттық телепортация
Ең кең танылғаны – оның тәуелсіз кубиттің кванттық телепортациясын алғаш рет іске асырғаны. Кейіннен ол бұл жұмысты екі Канар аралдары арасында 144 шақырым қашықтыққа телепортталған кубиттерді еркін тарату көзі ретінде дамытуға кеңейтті. Кванттық телепортация – көптеген кванттық ақпарат протоколдарының маңызды түсінігі. Кванттық ақпаратты жеткізудегі рөлінен өзге, ол кванттық компьютерлердегі қақпаларды құрудың маңызды мүмкіндігі ретінде де қарастырылады.
Most widely known is his first realization of quantum teleportation of an independent qubit. He later expanded this work to developing a source for freely propagating teleported qubits and quantum teleportation over 144 kilometers between two Canary Islands. Quantum teleportation is an essential concept in many quantum information protocols. Besides its role for the transfer of quantum information, it is also considered as an important possible mechanism for building gates within quantum computers.
Қатысуды алмастыру Қатысуды телепортациялау
Қатысу алмастыру – қатысқан күйді телепортациялау. Ұсынылғаннан кейін, қатысу алмастыруды алғаш рет 1998 жылы Цайлингер тобы тәжірибелік түрде іске асырды. Кейіннен оны кешіктірілген таңдау арқылы қатысу алмастыру тестін жүргізу үшін қолданды.
Entanglement swapping is the teleportation of an entangled state. After its proposal, entanglement swapping was first realized experimentally by Zeilinger's group in 1998. It was then applied to carry out a delayed choice entanglement swapping test.
Екі кубиттен тыс түйісу GHZ-қалыптар және олардың іске асырылуы
Антон Зейлингер көп бөлшектік түйісу саласын дамытуға үлес қосты. 1990 жылы ол Дэниел Гринбергер мен Майкл Хорнмен бірге екі кубиттен артық түйісуді зерттеген алғашқы ғалым болды. Осының нәтижесінде пайда болған GHZ теоремасы (Гринбергер–Хорн–Зейлингер күйіне қараңыз) кванттық физика үшін өте маңызды, себебі ол жергілікті реализм мен кванттық механиканың болжамдары арасындағы ең айқын қайшылықты көрсетеді. GHZ күйлері – көп бөлшектік түйісуді алғаш зерттеген жағдайлар еді. Соңында, 1999 жылы ол екі бөлшектен артық түйісудің алғашқы тәжірибелік дәлелін ұсынды, сондай-ақ GHZ күйлері үшін кванттық емес-жергіліктіліктің алғашқы тестін жасады.
Anton Zeilinger contributed to the opening up of the field of multi particle entanglement. In 1990, he was the first with Daniel Greenberger and Michael Horne to work on entanglement of more than two qubits. The resulting GHZ theorem (see Greenberger–Horne–Zeilinger state) is fundamental for quantum physics, as it provides the most succinct contradiction between local realism and the predictions of quantum mechanics. GHZ states were the first instances of multi particle entanglement ever investigated. Finally, in 1999, he succeeded in providing the first experimental evidence of entanglement beyond two particles and also the first test of quantum nonlocality for GHZ states.
Кванттық байланыс, кванттық криптография, кванттық есептеу
1998 жылы (2000 жылы жарияланды) оның тобы өзара байланысқан фотондарды пайдаланып, кванттық криптографияны алғаш рет іске асырды. Ол сондай-ақ кванттық түйісуді оптикалық кванттық есептеулерге қолданды, және 2005 жылы біржақты кванттық есептеудің алғашқы іске асырылуын жүзеге асырды. Бұл Книлл, Лафламме және Милберн ұсынған кванттық өлшеуге негіделген протокол. Зейлингер мен оның тобының үлкен қашықтықтарда түйісуді тарату бойынша жүргізген тәжірибелері Дунай өзенінің екі жағында орналасқан зертханалар арасындағы еркін кеңістіктегі және талшықтық кванттық байланыс пен телепортациядан басталды. Бұл тәжірибелер Вена қаласының ішінде және екі Канар аралдары арасындағы 144 км-ден астам қашықтықта кеңейтілді, нәтижесінде спутниктер арқылы кванттық байланыстың мүмкін екендігі сәтті дәлелденді. Оның арманы – орбитаға түйіскен фотондардың көздерін шығару.
In 1998 (published in 2000), his group was the first to implement quantum cryptography with entangled photons. He then also applied quantum entanglement to optical quantum computation, where in 2005, he performed the first implementation of one way quantum computation. This is a protocol based on quantum measurement as proposed by Knill, Laflamme and Milburn. The experiments of Zeilinger and his group on the distribution of entanglement over large distances began with both free space and fiber based quantum communication and teleportation between laboratories located on the different sides of the river Danube. This was then extended to larger distances across the city of Vienna and over 144 km between two Canary Islands, resulting in a successful demonstration that quantum communication with satellites is feasible. His dream is to put sources of entangled light onto a satellite in orbit.
Қосымша жаңаша араласқан мемлекеттер
Өз тобымен бірге Антон Зелингер жаңа түйіскен күйлерді жасауға көп үлес қосты. Пол Квиатпен бірге жасалған поляризациялық түйіскен фотондар жұптарының көзі көптеген зертханаларда қолданылады. Фотондардың орбиталық бұрыштық импульсінің түйісуін алғаш рет көрсету көптеген зертханаларда зерттеудің жаңа саласын ашты.
With his group, Anton Zeilinger made many contributions to the realization of novel entangled states. The source for polarization entangled photon pairs developed with Paul Kwiat when he was a PostDoc in Zeilinger's group is used in many laboratories. The first demonstration of entanglement of orbital angular momentum of photons opened up a new field of research in many laboratories.
Макроскопиялық кванттық суперпозиция
Зейлингер кванттық механиканы макроскопиялық салаға кеңейтуге де қызығушылық танытады. 1990 жылдардың басында ол атомдық оптика саласында тәжірибелер жүргізе бастады. Ол атомдық сәулелерді когерентті түрде манипуляциялаудың бірнеше әдісін жасады, олардың көптегені, мысалы, уақыт бойынша модуляцияланған жарық толқынында дифракцияланған кезде атомдық Де Броль толқынының когерентті энергиясының өзгеруі, бүгінгі ультрасуық атомдық тәжірибелердің құрамдас бөлігіне айналды. 1999 жылы Зейлингер атомдық оптикадан бас тартып, өте күрделі және массивті макромолекулалар – фуллерендермен тәжірибелер жүргізуге көшті. 1999 жылы осы C60 және C70 молекулалары үшін кванттық интерференцияның сәтті демонстрациясы зерттеудің өте белсенді саласын ашты. 2005 жылы Зейлингер және оның тобы механикалық консольдердің кванттық физикасын зерттеді. 2006 жылы Париждегі Хайдманмен және Гарчингтегі Киппенбергпен бірлесіп, олар кері байланыссыз, сәулелену қысымы арқылы микрозеркалды өздігінен салқындатуды тәжірибелік түрде көрсетті. Орбиталық бұрыштық импульс күйлерін пайдалана отырып, ол 300ħ-ге дейінгі бұрыштық импульстің өзара байланысын (entanglement) көрсетуге қол жеткізді.
Zeilinger is also interested to extend quantum mechanics into the macroscopic domain. In the early 1990s, he started experiments in the field of atom optics. He developed a number of ways to coherently manipulate atomic beams, many of which, like the coherent energy shift of an atomic De Broglie wave upon diffraction at a time modulated light wave, have become part of today's ultracold atom experiments. In 1999, Zeilinger abandoned atom optics for experiments with very complex and massive macro molecules – fullerenes. The successful demonstration of quantum interference for these C60 and C70 molecules in 1999 opened up a very active field of research. In 2005, Zeilinger with his group investigated the quantum physics of mechanical cantilevers. In the year 2006 along with Heidmann in Paris and Kippenberg in Garching they demonstrated experimentally the self cooling of a micro mirror by radiation pressure, that is, without feedback. Using orbital angular momentum states, he was able to demonstrate entanglement of angular momentum up to 300 ħ.
Қосымша негізгі сынақтар
Зейлингердің кванттық механиканың негізгі сынақ бағдарламасы жеке жүйелер үшін кванттық физиканың көптеген классикалық емес ерекшеліктерін тәжірибелік тұрғыда іске асыруға бағытталған. 1998 жылы ол Белл теңсіздігінің соңғы сынағын жасады, супержылдам кездейсоқ сандар генераторларын пайдалану арқылы байланысқа қатысты мәселені шешті. Оның тобы сонымен қатар таңдау еркіндігі шартын іске асыратын алғашқы Белл теңсіздігі экспериментін жүзеге асырды және фотондар үшін әділ үлгі алу қағидасынсыз Белл сынағының алғашқы іске асырылуын қамтамасыз етті. Оның басқа да негізгі сынақтарының ішінде ең маңыздысы – Леггет ұсынған, жергілікті емес реалистік теориялардың кең класын сынау. Бұл тәжірибеден алынған теориялар тобы ансамбльдерді суб-ансамбльдерге ақылға қонымды түрде бөлуге мүмкіндік беретін теориялар ретінде жіктеледі. Бұл Белл теоремасынан әлдеқайда жоғары деңгейде. Белл жергілікті және реалистік теорияның кванттық механикамен қақтығысатынын көрсеткенмен, Леггет жеке фотондар поляризацияны тасымалдайтын жергілікті емес реалистік теорияларды қарастырды. Нәтижесінде, Леггет теңсіздігі Зейлингер тобының эксперименттерінде бұзылғаны дәлелденді. Сол сияқты, оның тобы тіпті түйісу мүмкін емес кванттық жүйелердің де классикалық емес ерекшеліктерді көрсететінін, оларды түсіндіруге негіз болатын контекстке тәуелсіз ықтималдық таралымдары жоқ екенін көрсетті.
Zeilinger's program of fundamental tests of quantum mechanics is aimed at implementing experimental realizations of many non classical features of quantum physics for individual systems. In 1998, he provided the final test of Bell's inequality closing the communication loophole by using superfast random number generators. His group also realized the first Bell inequality experiment implementing the freedom of choice condition and provided the first realization of a Bell test without the fair sampling assumption for photons. Among the further fundamental tests he performed the most notable one is his test of a large class of nonlocal realistic theories proposed by Leggett. The group of theories excluded by that experiment can be classified as those which allow reasonable subdivision of ensembles into sub ensembles. It goes significantly beyond Bell's theorem. While Bell showed that a theory which is both local and realistic is at variance with quantum mechanics, Leggett considered nonlocal realistic theories where the individual photons are assumed to carry polarization. The resulting Leggett inequality was shown to be violated in the experiments of the Zeilinger group. In an analogous way, his group showed that even quantum systems where entanglement is not possible exhibit non classical features which cannot be explained by underlying non contextual probability distributions.
Нейтрондық интерферометрия
Антон Зелингердің алғашқы жұмыстары, бәлкім, оның ең аз танымал еңбектері болар. Нейтрондық интерферометрия саласындағы жұмысы оның кейінгі зерттеулеріне негіз болды. Вена Техникалық университетінде өзінің диссертация жетекшісі Гельмут Раухтың тобының мүшесі ретінде Зелингер Гренобльдегі Лауэ-Ланжевен институтында (ILL) бірнеше нейтрондық интерферометрия эксперименттеріне қатысты. Оның алғашқы мұндай эксперименті кванттық механиканың маңызды болжамын растады – айналған кезде спин фазасының таңбасы өзгеретіні. Бұдан кейін материялық толқындардың когерентті спиндік суперпозициясының алғашқы тәжірибелік іске асырылуы жүзеге асты. Ол MIT-те К.Г. Шуллмен (Нобель сыйлығының лауреаты) бірге нейтрондық интерферометрия бойынша жұмысын жалғастырды, назарды көп толқындық когерентті суперпозиция нәтижесінде туындайтын, кемелді кристаллдардағы нейтрондардың динамикалық дифракциялық әсерлеріне шоғырландырды. Еуропаға оралғаннан кейін ол өте суық нейтрондарға арналған интерферометр құрастырды, бұл кейінірек атомдармен ұқсас эксперименттерге жол ашты. Мұндағы негізгі эксперименттер кванттық механиканың сызықтылығын ең жоғары дәлдікпен тексеруді қамтыды. Зелингер Лауэ-Ланжевен институтының S18 құралында қос саңылаулы дифракция экспериментін жасады, ол кейіннен дәлдігі артып, аппаратта бір уақытта тек бір ғана нейтронмен жұмыс істей алды.
Anton Zeilinger's earliest work is perhaps his least known. His work on neutron interferometry has provided a foundation for his later research. As a member of the group of his thesis supervisor, Helmut Rauch, at the Technical University of Vienna, Zeilinger participated in a number of neutron interferometry experiments at the Institut Laue–Langevin (ILL) in Grenoble. His very first such experiment confirmed a fundamental prediction of quantum mechanics, the sign change of a spinor phase upon rotation. This was followed by the first experimental realization of coherent spin superposition of matter waves. He continued his work in neutron interferometry at MIT with C. G. Shull (Nobel Laureate), focusing specifically on dynamical diffraction effects of neutrons in perfect crystals which are due to multi wave coherent superposition. After his return to Europe, he built up an interferometer for very cold neutrons which preceded later similar experiments with atoms. The fundamental experiments there included a most precise test of the linearity of quantum mechanics. Zeilinger built a double slit diffraction experiment on the S18 instrument at the Institut Laue Langevin which, later on, gained in accuracy and could act with only one neutron at a time in the apparatus.