Asher Peres

Asher Peres

Asher Peres (ok. 2000)
Państwo działania	Izrael
Data i miejsce urodzenia	30 stycznia 1934 Beaulieu-sur-Dordogne
Data i miejsce śmierci	1 stycznia 2005 Hajfa
Zawód, zajęcie	fizyk
doktor nauk fizycznych
Specjalność: fizyka teoretyczna, informacja kwantowa
Alma Mater	Technion
Doktorat	1959 – fizyka teoretyczna Technion promotor: Nathan Rosen(inne języki)
nauczyciel akademicki
Uczelnia	Technion
Stanowisko	profesor
Okres zatrudn.	1959–2005
Nagrody
Nagroda Rothschilda(inne języki) (2004)
Multimedia w Wikimedia Commons

Asher Peres (hebr. ‏אשר פרס‎; ur. 30 stycznia 1934 w Beaulieu-sur-Dordogne, zm. 1 stycznia 2005 w Hajfie) – izraelski fizyk, jeden z twórców dziedziny łączącej mechanikę kwantową z teorią informacji, przez niemal całą karierę związany z Technionem w Hajfie. Podał warunek oparty na częściowej transpozycji macierzy gęstości, którego naruszenie dowodzi splątania stanu złożonego układu kwantowego – powiązania, w którym stanu żadnej z cząstek nie da się opisać niezależnie od pozostałych. Na warunku tym opiera się kryterium Peresa-Horodeckiego(inne języki). Był współautorem pracy wprowadzającej protokół teleportacji kwantowej, a wspólnie z Danielem R. Terno badał związki informacji kwantowej ze szczególną teorią względności. Napisał podręcznik Quantum Theory: Concepts and Methods (1993), który N. David Mermin uznał w recenzji za „pod wieloma względami najlepszą książkę o fizyce, jaką od dawna widział”. Wspólnie z Christopherem A. Fuchsem dowodził, że mechanika kwantowa nie opisuje rzeczywistości, lecz jest przepisem na obliczanie prawdopodobieństw wyników pomiaru, i że żadna dodatkowa interpretacja nie jest jej potrzebna.

Wcześniej pracował w ogólnej teorii względności: wprowadził metrykę Peresa(inne języki), opisującą pewną klasę fal grawitacyjnych, i badał równanie Hamiltona-Jacobiego-Einsteina(inne języki). Wspólnie z Mariem Feingoldem opublikował prace dotyczące chaosu kwantowego(inne języki), w których sformułował oszacowanie znane w późniejszej literaturze matematykom jako hipoteza Feingolda-Peresa, a fizykom jako teoria Feingolda-Peresa.

Życiorys

Urodził się jako Aristide Pressman w Beaulieu-sur-Dordogne we Francji, dokąd jego ojciec, polski inżynier elektryk, przyjechał do pracy przy budowie linii energetycznych. Jego rodzice, Szlomo (Salomon) i Szulamit (Salomea) Pressmanowie, byli żydowskimi emigrantami ze Lwowa. Wkrótce po jego urodzeniu rodzina została deportowana do Polski. Do Francji mogła wrócić dopiero na krótko przed wybuchem II wojny światowej. Pierwszym językiem Peresa był polski – jak wspominał, nauczył się po polsku mówić, liczyć i pisać, a w tamtym czasie był „szczęśliwym polskim dzieckiem”. Po upadku Paryża rodzina schroniła się w miejscowości, w której przyszedł na świat, by ukrywać się przed reżimem nazistowskim. Gdy miejscowi antysemici zdemaskowali ich żydowskie pochodzenie i doszło do prób szantażu, ojciec dołączył do ruchu oporu, a matka z synem ukrywali się, wędrując od wsi do wsi. Imię Aristide otrzymał dlatego, że imienia, które chcieli nadać mu rodzice – Asher, po dziadku ze strony matki – nie było wówczas we Francji imieniem prawnie dopuszczonym. Rodzina wyemigrowała do Izraela w 1949 roku. Po przeprowadzce zmienił imię na Asher, a nazwisko – jak wielu ówczesnych imigrantów – na hebrajskie Peres. W 1952 roku rozpoczął studia na Technionie w Hajfie. Studiował początkowo inżynierię mechaniczną i w 1956 roku uzyskał dyplom pierwszego stopnia. Jeszcze na drugim roku studiów napisał pierwszą pracę z fizyki teoretycznej – notę o równaniach Maxwella w przestrzeni zakrzywionej – którą Louis de Broglie zarekomendował do druku w „Comptes Rendus”(inne języki). Nota ukazała się tam w 1954 roku. Po dyplomie spędził rok w ośrodku jądrowym w Saclay(inne języki) pod Paryżem, gdzie w 1957 roku uzyskał dyplom inżyniera techniki jądrowej. Po powrocie do Izraela podjął na Technionie studia doktoranckie z fizyki, ucząc jednocześnie inżynierii jądrowej.

Stopień doktora uzyskał w 1959 roku na Technionie pod kierunkiem Nathana Rosena(inne języki). W rozprawie obliczył promieniowanie grawitacyjne emitowane przez gwiazdę krążącą po orbicie.

Całą dalszą karierę spędził na Technionie, przechodząc kolejne szczeble: wykładowca (1959), profesor nadzwyczajny (ang. Associate Professor, 1962), profesor (1967), a od 1980 profesor katedry imienia Gerarda Swope’a. W 1988 roku został mianowany profesorem wyróżnionym uczelni (ang. Distinguished University Professor), a po przejściu na emeryturę miał status emerytowanego profesora wyróżnionego (ang. Distinguished Professor Emeritus). Wykładał gościnnie na Uniwersytecie Marylandu (1967–1968) i Uniwersytecie Drexela (1975–1976).

Pełnił też funkcje w środowisku naukowym: w latach 1965–1966 był prezesem Izraelskiego Towarzystwa Fizycznego, w 1966 i 1982 kierował wydziałem fizyki Technionu, a w latach 1972–1974 był dziekanem szkoły doktorskiej uczelni. Zasiadał w radach redakcyjnych czasopism „Foundations of Physics Letters”, „Journal of Physics A” i „Physical Review A”, a od 2003 roku był redaktorem zarządzającym „International Journal of Quantum Information”.

W 1983 roku, w czasie wojny libańskiej, Peres zgłosił kandydaturę premiera Izraela Menachema Begina do Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Uzasadnił, że premier zasługuje na nią w takim samym stopniu, w jakim zasłużył na Pokojową Nagrodę Nobla, otrzymaną w 1978 roku wraz z Anwarem as-Sadatem. Kancelaria premiera nie potraktowała żartu przychylnie, a rektor Technionu uznał za konieczne przeprosić Królewską Szwedzką Akademię Nauk. Akademia odpowiedziała, że obawia się, iż rektor Technionu zatracił nieco ducha dobrego żydowskiego humoru.

W 2004 roku otrzymał Nagrodę Rothschilda(inne języki) w dziedzinie nauk fizycznych.

W 1958 roku ożenił się z Avivą Grunspan. Mieli dwie córki, Lydię i Naomi.

Zmarł w Hajfie i zgodnie z własną prośbą został pochowany obok swojego promotora Nathana Rosena.

Praca naukowa

Wczesne prace Peresa dotyczyły ogólnej teorii względności. W 1959 roku podał ścisłe rozwiązanie równań Einsteina opisujące nową klasę fal grawitacyjnych. Metrykę zapisaną w tej pracy późniejsza literatura określa jako metrykę Peresa. W nekrologu napisanym przez jego uczniów wynik ten uznano za wykazanie fizycznej realności fal grawitacyjnych i za podręcznikowy przykład silnej fali grawitacyjnej.

W ogłoszonym w 1962 roku artykule, przygotowanym w Palmer Physical Laboratory na Uniwersytecie Princeton, zajął się zagadnieniem początkowym dla pola grawitacyjnego, czyli pytaniem, które dane opisujące pole w jednej chwili (na hiperpowierzchni przestrzennopodobnej) można wybrać dowolnie, a które muszą spełniać dodatkowe warunki. Pokazał, że część warunków ograniczających dopuszczalne dane początkowe można spełnić przez odpowiedni wybór pędów sprzężonych. Trzy więzy poprzeczne są mianowicie spełnione zawsze, gdy pędy te przyjmie się za pochodne funkcjonalne pewnego funkcjonału metryki, niezmienniczego względem przekształceń współrzędnych. Jeśli funkcjonał ten jest dodatkowo niezmienniczy względem przekształceń skali, znika również ślad pędów. Konstrukcja danych początkowych sprowadza się wówczas do skalarnego równania Lichnerowicza i daje się przeprowadzić z dowolną dokładnością. Sam Peres uznał tę metodę za pierwszy krok w stronę formalizmu Hamiltona-Jacobiego dla pola grawitacyjnego.

W 1985 roku opublikował pracę o logice odwracalnej i komputerach kwantowych. Skonstruował w niej hamiltonian, którego ewolucja w czasie odtwarza ciąg elementarnych kroków logicznych, i wykazał, że jest to wykonalne pod warunkiem, iż każdy krok pozostaje odwracalny lokalnie – odwracalność całego obliczenia nie wystarcza. Pokazał też, że błędy wywołane szumem można korygować dzięki nadmiarowości, a odwracalne kody korekcyjne dają się wbudować w sam hamiltonian. Oszacował przy tym najmniejszą ilość entropii, jaką trzeba rozproszyć przy zadanym poziomie szumu i dopuszczalnej stopie błędów.

Rok później, wspólnie ze swoim ówczesnym uczniem Mariem Feingoldem, badał związek między własnościami układu kwantowego a chaosem w jego klasycznym odpowiedniku. W tym celu przeanalizowali rozkład elementów macierzowych w reprezentacji energetycznej. Autorzy wykazali, że elementy te wiążą się ściśle ze średnimi mikrokanonicznymi układu klasycznego. Elementy diagonalne skupiają się wokół klasycznych wartości oczekiwanych, a ich fluktuacje są porównywalne z elementami pozadiagonalnymi. Te ostatnie odpowiadają klasycznym autokorelacjom. Wynikało stąd, że dla układów chaotycznych rachunek zaburzeń musi zawodzić w granicy semiklasycznej – dwa dowolnie bliskie sobie hamiltoniany mają na ogół zupełnie różne zbiory wektorów własnych.

Według nekrologu w „Physics Today” największy wpływ wywarł jednak na podstawy teorii kwantowej i teorię informacji kwantowej. W 1988 roku włączył się w badania nad zaproponowaną przez I. D. Ivanovicia strategią pomiaru, która pozwala jednoznacznie rozróżnić dwa nieortogonalne stany kwantowe bez ryzyka błędu, kosztem dopuszczenia wyniku nierozstrzygającego. W metodzie Ivanovicia rozróżnienie stanów wymagało nieskończonego ciągu pomiarów uogólnionych, powtarzanych na tych układach, których wcześniejsze próby nie rozstrzygnęły. Peres wykazał, że odpowiedni dobór ewolucji unitarnej (zachowującej sumę prawdopodobieństw) sprzęgającej badany układ z układem próbnym daje ten sam rezultat w jednym kroku, a osiągniętej w ten sposób skuteczności nie da się już poprawić – byłoby to sprzeczne z unitarnością. Najmniejsze możliwe prawdopodobieństwo wyniku nierozstrzygającego, wyznaczone w pracach Dieksa i Peresa, późniejsza literatura nazywa granicą Ivanovicia-Dieksa-Peresa (IDP). W 1991 roku podał nowy dowód twierdzenia Kochena-Speckera(inne języki), wykluczającego teorie zmiennych ukrytych niezależne od kontekstu pomiaru: zamiast 117 promieni użytych w dowodzie pierwotnym wystarczyły mu 33, a po zwiększeniu liczby wymiarów przestrzeni z trzech do czterech – 24. Był jednym z sześciu autorów ogłoszonej w 1993 roku pracy o teleportacji kwantowej. Wykazano w niej, że żaden bezpośredni pomiar nie pozwala uzyskać pełnej informacji o stanie cząstki kwantowej. Połączenie splątania i komunikacji klasycznej pozwala jednak przenieść ten stan bez utraty informacji na inną cząstkę, która nigdy nie znalazła się w pobliżu pierwszej. Teleportację kwantową potwierdzono później doświadczalnie w kilku laboratoriach. Zapytany przez dziennikarza, czy teleportacja kwantowa mogłaby przenieść nie tylko ciało, ale i duszę, Peres odpowiedział: „Nie, nie ciało – tylko duszę”.

W pracy z 1996 roku wykazał, że jeśli myślowe odwrócenie kierunku czasu dla jednej tylko z dwóch cząstek prowadzi do sytuacji niefizycznej, z ujemnymi prawdopodobieństwami, to obie cząstki muszą być splątane. To kryterium splątania – w języku matematycznym pojawienie się ujemnej wartości własnej częściowej transpozycji macierzy gęstości układu – zapoczątkowało rozwój jakościowej i ilościowej teorii splątania oraz innych przejawów nielokalności w mechanice kwantowej.

Podręcznik Quantum Theory: Concepts and Methods

Był autorem podręcznika Quantum Theory: Concepts and Methods(inne języki), o którym napisał:

Mermin nazwał książkę „skarbnicą nowatorskich spojrzeń na mechanikę kwantową” i stwierdził, że dobór zagadnień przez Peresa stanowi „katalog powszechnych pominięć” w innych ujęciach. Zauważył przy tym, że podręczniki mechaniki kwantowej dzielą się zwykle na dwa rodzaje: praktyczne, uczące rachunkowego rzemiosła, oraz pojęciowe, pytające o naturę opisywanego świata. Książka Peresa jest według niego pomostem między nimi, skupia się bowiem na problemach pojęciowych, lecz sięga po narzędzia praktykującego fizyka kwantowego. Zastrzegł zarazem, że nie jest to podręcznik wprowadzający, lecz książka pisana dla czytelnika, który zwykły kurs mechaniki kwantowej ma już za sobą. W obszernym omówieniu niepowodzeń teorii zmiennych ukrytych książka zawiera program w języku Fortran, służący do sprawdzania, czy dana lista wektorów tworzy konfigurację Kochena-Speckera. Michael Nielsen(inne języki) napisał o tym podręczniku: „Objawienie! Nagle wszystkie kluczowe wyniki trzydziestu lat pracy (część z nich autorstwa samego Ashera) zostały sprowadzone do pięknych i prostych wyjaśnień”. Peres nadał zasadzie nieoznaczoności mniej centralne miejsce niż zwykle: w indeksie podał przy niej tylko jeden numer strony – tej, na której znajdował się sam indeks. W nekrologu „Physics Today” stwierdzono, że podręcznik można uznać za współczesnego następcę Mathematical Foundations of Quantum Mechanics Johna von Neumanna, a uczniowie Peresa podali, że pisał go przez sześć lat. Sam Peres wskazał w przedmowie, czym jego ujęcie różni się od traktatu von Neumanna. Za pojęcia pierwotne przyjął nie wektory i operatory, lecz preparacje i testy, czyli makroskopowe operacje o losowych wynikach. Pomiar opisał zaś nie zupełnym układem ortogonalnych rzutów, lecz miarą dodatnio określonych operatorów (POVM), która pozwala wydobyć z układu więcej informacji.

Poglądy na teorię kwantową

Konsekwencje twierdzenia Bella Peres streszczał formułą „niewykonane doświadczenia nie mają wyników”, której użył jako tytułu artykułu z 1978 roku. W podręczniku wywodził ją z naruszenia nierówności Bella, wykazując, że wynikom pomiarów, których nie przeprowadzono, nie da się przypisać wartości zgodnych z przewidywaniami mechaniki kwantowej. W przedmowie do tej książki odrzucił też pojęcie odrębnej „kwantowej teorii pomiaru” – według niego istnieje tylko mechanika kwantowa, a pomiar jest zwykłym procesem fizycznym, podlegającym zwykłym prawom fizyki. Propozycje nowych „interpretacji” teorii uznał nie za interpretacje, lecz za radykalnie odmienne teorie, pozbawione oparcia doświadczalnego.

W ogłoszonym w 2000 roku na łamach „Physics Today” eseju, napisanym wspólnie z Christopherem A. Fuchsem, dowodził, że mechanika kwantowa nie potrzebuje żadnej dodatkowej interpretacji. Teoria nie opisuje rzeczywistości fizycznej, lecz dostarcza przepisu na obliczanie prawdopodobieństw zdarzeń makroskopowych – „kliknięć detektora” – będących następstwem ingerencji eksperymentatora w przyrodę. Tak ściśle zakreślony zakres teorii jest według nich jedyną interpretacją, jakiej kiedykolwiek potrzeba. Obudowywanie mechaniki kwantowej zmiennymi ukrytymi, wieloma światami, regułami spójności czy spontanicznym załamaniem funkcji falowej uznali za zabieg, który nie zwiększając mocy przewidywania, daje jedynie złudzenie lepszego zrozumienia. Sama funkcja falowa jest w tym ujęciu wyrażeniem matematycznym służącym do wyliczania prawdopodobieństw i zależy od wiedzy osoby, która je wylicza. Jej załamanie zachodzi w opisie układu, nie w samym układzie. Autorzy zastrzegli zarazem, że nie negują możliwości istnienia obiektywnej rzeczywistości niezależnej od obserwatora i że podstawy teorii pozostają warte dalszych badań – nie wiadomo choćby, jak połączyć mechanikę kwantową z grawitacją.

Peres twierdził, że w argumencie Einsteina, Podolskiego i Rosena (EPR) dotyczącym splątania kwantowego pominięto to, że informacja obserwatorów – jak każdy obiekt fizyczny – jest zlokalizowana. Gdy Alicja mierzy spin swojej cząstki, uzyskany przez nią wynik pozostaje zlokalizowany tam, gdzie dokonano pomiaru, a w miejscu, w którym znajduje się Bob, nic się nie dzieje. Dopiero przekazanie wyniku za pomocą materialnego nośnika, a więc najwyżej z prędkością światła, pozwala Bobowi przypisać swojej cząstce określony stan czysty. Punktem wyjścia była dla Peresa fizyczność samej informacji:

Wybrane publikacje

• Some Gravitational Waves, „Physical Review Letters” 3 (1959), nr 12, s. 571–572
• Unperformed experiments have no results, „American Journal of Physics” 46 (1978), nr 7, s. 745–747
• Reversible logic and quantum computers, „Physical Review A” 32 (1985), nr 6, s. 3266–3276
• Distribution of matrix elements of chaotic systems (z Mariem Feingoldem), „Physical Review A” 34 (1986), nr 1, s. 591–595
• How to differentiate between non-orthogonal states, „Physics Letters A” 128 (1988), nr 1–2, s. 19
• Two simple proofs of the Kochen-Specker theorem, „Journal of Physics A: Mathematical and General” 24 (1991), nr 4, s. L175–L178
• Teleporting an unknown quantum state via dual classical and Einstein–Podolsky–Rosen channels (z Charlesem H. Bennettem, Gilles’em Brassardem(inne języki), Claude’em Crépeau(inne języki), Richardem Jozsą(inne języki) i Williamem K. Woottersem(inne języki)), „Physical Review Letters” 70 (1993), nr 13, s. 1895–1899
• Quantum Theory: Concepts and Methods, Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, seria Fundamental Theories of Physics, 1993
• Separability Criterion for Density Matrices, „Physical Review Letters” 77 (1996), nr 8, s. 1413–1415
• Quantum Theory Needs No ‘Interpretation’ (z Christopherem A. Fuchsem), „Physics Today” 53 (2000), nr 3, s. 70–71
• Quantum information and relativity theory (z Danielem R. Terno), „Reviews of Modern Physics” 76 (2004), nr 1, s. 93–123

Przypisy

Linki zewnętrzne

• Wykaz publikacji, „Foundations of Physics” 36 (2006), s. 157–173 (ang.)
• N. Lindner, P. Scudo, D.R. Terno, Asher Peres, 1934–2005 – wspomnienie napisane przez uczniów (archiwum z 22 lipca 2019) (ang.)
• L. Peres Hari, Asher Peres, 1934–2005 – wspomnienie napisane przez córkę (archiwum z 15 kwietnia 2019) (ang.)