Charles H. Bennett – Insights from physics into information theory and vice versa

W cyklu „Nauka bez granic” (Nauka bez granic) zapraszamy na wykład prof. Charlesa H. Bennetta „Insights from physics into information theory and vice versa „oraz na rozmowę bez granic, którą z prof. Bennettem przeprowadził dr Karol Jałochowski. Spotkanie poprowadziła dr inż. Agnieszka Żelazna z Wydziału Inżynierii Środowiska Politechniki Lubelskiej. Wydarzenie miało miejsce 23 września 2021 r. w ACKiM UMCS Chatka Żaka podczas XVII Lubelskiego Festiwalu Nauki, który odbył się w dniach 18-24 września 2021 r. pod hasłem „Nauka bez granic. Enjoy science!” w Lublinie – https://www.festiwal.lublin.pl.

Profesor Charles H. Bennett, Doctor Honoris Causa Uniwersytetu Gdańskiego

Charles H. Bennett urodził się w 1943 roku jako syn nauczycieli muzyki – Anne Wolfe i Boyd Bennett. Po ukończeniu w 1960 roku szkoły średniej  ( Croton-Harmon high School), studiował chemię na Brandeis University w  Waltham. W 1964 roku rozpoczął studia doktoranckie na Uniwersytecie Harvarda pod kierunkiem Davida Turnbull’a i Berni’ego Alder’a. w dziedzinie dynamiki molekularnej i w 1970 roku uzyskał doktorat ze specjalnością: symulacji komputerowej dynamiki molekularnej. Badania w tej dziedzinie kontynuował w Laboratorium Argonne pod kierunkiem Aneesur Rahman’a. W 1972 roku dołączył do zespołu badawczego IBM, gdzie pracował w tym czasie wybitny fizyk Rolf Landauer nad zagadnieniami z zakresu informatyki teoretycznej. Miało to fundamentalne znaczenie  dla przyszłego pioniera informatyki kwantowej. Tutaj krystalizują się jego zainteresowania dotyczące związków między fizyką i informacją. W 1973 r. publikuje przełomową pracę o logicznej odwracalności obliczania, w której wykazał, wbrew pesymizmowi Landauera, że obliczenia można wykonywać w sposób odwracalny. Był to rezultat proroczy, ponieważ odwracalność obliczeń stanowi podstawę idei kwantowego komputera wprowadzonej dużo później przez Feymanna i Deutscha. W 1982 roku Charles H. Bennett stosując teorię informacji zaproponował reinterpretację demona Maxwell’a wykazując, że skończona pojemność jego pamięci musi  prowadzić do kasowania informacji, co zawsze jest procesem termodynamicznie nieodwracalnym. W latach 1983-85 dr Bennett, jako visiting professor  na Uniwersytecie w Bostonie prowadził zajęcia z kryptografii i fizyki obliczeniowej.

W 1984 roku dr Bennett wraz z Gillesem Brassard’em z Uniwersytetu w Montrealu wprowadza pierwszy kwantowy protokół szyfrowania informacji, oparty na zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, który polega na przesyłaniu pojedynczych losowo spolaryzowanych fotonów. Następnie wraz z Johnem Smolinem buduje pierwszy kwantowy dystrybutor klucza, zapoczątkowując w ten sposób lawinowy rozwój kryptografii kwantowej z wykorzystaniem światłowodów, jak i również na otwartej przestrzeni. Równolegle Bennett rozwija algorytmiczną teorię informacji, różną od Kołmogorowa wprowadzając miarę wewnętrznej złożoności fizycznego stanu (logical depth) opartą na obliczeniowej złożoności algorytmu, który może odtworzyć dany fragment informacji.

Na początku lat dziewięćdziesiątych Bennett uwagę swą kieruje ku niezwykłym korelacjom odkrytym w latach trzydziestych przez Einsteina, Podolskiego, Rosena  i Schrödingera nazwanych kwantowym splątaniem. W 1992 roku wraz ze Stephenem Wiesnerem publikuje pracę, która dokonuje przewrotu w teorii komunikacji. Okazuje się, że dzięki splątanej parze cząstek można przesłać za pomocą jednego kwantowego bitu (np. fotonu o dwóch polaryzacjach) dwa bity informacji. Pozwala to obejść „zakaz” Holevo, zgodnie z którym, używając jednego kubitu można przesłać tylko jeden bit informacji.

W tym samym roku po seminarium Williama Woottersa w Montrealu miała miejsce gorąca dyskusja z Asherem Peresem, Gilesem Brasardem, Claude Crepeau i Richardem Jozsą, dotycząca optymalnego przesyłu stanu kwantowego między dwoma odległymi laboratoriami. Jak wspomina Peres w artykule dedykowanym Bennettowi z okazji jego 60. urodzin Bennett postawił fundamentalne pytanie :”A co będzie jeśli dostarczymy im parę splątanych cząstek?”  Pytanie to otworzyło drogę do odkrycia teleportacji kwantowej. W 1993 roku ukazała się w Physical Review Letters publikacja pt.: „Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels” autorstwa sześciu uczestników dyskusji w Montrealu, w której wykazano, że mając do dyspozycji parę splątanych cząstek oraz możliwość zakomunikowania dwóch bitów informacji można przenieść kwantową informację z jednej cząstki na drugą w odległym laboratorium nie łamiąc zakazu klonowania. Kwantowa informacja zostaje zniszczone na jednej cząstce a następnie odtworzona na innej za pomocą nieskierowanego zasobu – pary splątanych cząstek. W kilka lat później oba nieintuicyjne kwantowe efekty  – gęste kodowanie i kwantowa teleportacja zostały zrealizowane w pionierskich doświadczeniach wykonanych przez zespół Antona Zeilingera.

W latach 1995-97 zespół Bennetta stworzył ilościową teorię splątania i wprowadził różne techniki dla wiernej transmisji klasycznej i kwantowej informacji przez  zaszumione kanały. Ten rezultat wraz z odkryciem kwantowej teleportacji i gęstego kodowania stanowił fundamentalny wkład do teorii kwantowej komunikacji i kwantowego obliczania. W szczególności słynny protokół destylacji kwantowego splątania wypracowany przez Bennetta i współpracowników stanowił inspirację dla zespołu gdańskiego. Mianowicie w 1996 roku  odkryto w Gdańsku tzw. związane splątanie (bound entanglement), którego, używając „maszynki do destylacji”  Bennetta i współpracowników, nie da się wydestylować do czystej postaci. To osobliwe splątanie  było przedmiotem intensywnych badań prowadzonych zarówno przez zespół Bennetta , jak i zespół gdański. Zainicjowało to współpracę, której owocem było m. in.  odkrycie tzw. efektu blokowania informacji oraz wypracowanie podstaw teorii wielocząstkowych korelacji kwantowych. Charles H. Bennett wniósł również istotny wkład w  teorię kwantowych kanałów. W szczególności praca o związku między pojemnościami kwantowych kanałów wspomaganych splątaniem a odwrotnym twierdzeniem  Shanonna  stała się klasyczną pozycją  w tej dziedzinie.

Dokonania  Bennetta  stworzyły podstawy dla nowej dziedziny – kwantowej teorii informacji. Stymulowały i nadal stymulują dynamiczny rozwój technik doświadczalnych w zakresie przetwarzania i kontroli układów kwantowych – tak zwanej technologii kwantowej. Zrewolucjonizowały one także nasze spojrzenie na podstawy kwantowego opisu Natury. Charles H. Bennett jest autorem/współautorem prac cytowanych ponad 28 300 razy, w tym 10 publikacji cytowanych ponad 1000 razy. Praca o kwantowej teleportacji ma blisko 7 000 cytowań.

 W 2006 roku Senat Uniwersytetu Gdańskiego przyznał Charlesowi H. Bennettowi tytuł doktora honoris causa „za fundamentalny i wszechstronny wkład w rozwój nowej gałęzi nauki – kwantowej teorii informacji jako podstawy kwantowej technologii i nowego rozumienia natury”.

Charles H. Bennett jest m.in. członkiem Stowarzyszenia IBM, Amerykańskiego Towarzystwa Fizycznego i Amerykańskiej Akademii Nauk. Jest żonaty i ma troje dorosłych dzieci. Jego hobby to fotografia i muzyka.

Źródło notki biograficznej