Czym jest kwantowa optyka swobodnych elektronów? Jak w życiu naukowca teoria miesza się z praktyką? Dlaczego warto być otwartym na najbardziej szalone pomysły i ile w życiu znaczy przypadek? Zapraszamy do lektury rozmowy z laureatem Lem Prize 2023 prof. Ido Kaminerem z Technion.

Michał Ciepielski: Czy może nam Pan określić swój zakres zainteresowań naukowych? Co Pana najbardziej zajmuje na co dzień?

Prof. Ido Kaminer: Przede wszystkim nie jest to obszar zamknięty. Moje zainteresowania wciąż się rozszerzają na kolejne dziedziny, a obecnie kieruję dwoma grupami badawczymi.

W pierwszej – AdQuanta – zajmujemy się efektami kwantowymi w obszarach, które często postrzegane są jako klasyczne. Wprowadzamy kwantowe zjawiska optyczne do mikroskopii elektronowej, optyki silnego pola i rentgenografii.

Z kolei w Ramanujan Machine Group interesuje nas kwestia podejścia sztucznej inteligencji do badań matematycznych, co sprawdzamy przez opracowanie jednego z pierwszych algorytmów w tej dopiero rozwijającej się dziedzinie, jaką jest „AI for science”.

Jest Pan uważany za pioniera badań w zakresie interakcji światła z wolnymi elektronami. Czego dotyczy ta dziedzina nauki? 

Oddziaływanie światła z tzw. swobodnymi elektronami, to dla mnie coś ekscytującego. Chociaż badania w tej dziedzinie prowadzone są od dawna i jest ona postrzegana jako „ugruntowana”, to ostatnia dekada przyniosła nam prawdziwą rewolucję. Przeniosła ona naukę o swobodnych elektronach na granicę optyki kwantowej i nanofotoniki.

Byłem jedną z pierwszych osób, które dostrzegły ten potencjał i mogę śmiało powiedzieć, że przyczyniłem się do powstania nowej dziedziny, zwanej obecnie kwantową optyką swobodnych elektronów.

Co sprawiło, że zainteresował się Pan właśnie tą tematyką?

To głównie zbieg różnego rodzaju okoliczności i przypadków.

Zaliczam do tego okres studiów i współpracę z prof. Levim Schächterem, a także mój doktorat, który realizowałem pod opieką prof. Moti Segeva. Zająłem się w nim kwestią swobodnych elektronów, a całość opisaliśmy w naprawdę nietypowym i zadziwiającym artykule w „American Physical Society” na temat samoprzyspieszających się fermionów Diraca. 

Kolejny zbieg okoliczności związany był z badaniami teorii efektów kwantowych w promieniowaniu Czerenkowa prowadzonymi z Marinem Soljačiciem i Johnem Joannopoulosem na Massachusetts Institute of Technology (MIT). To właśnie ci naukowcy umożliwili mi założenie własnego zespołu w ramach prowadzonych przez nich grup na MIT, abym mógł zająć się przeprowadzaniem eksperymentów z promieniowania swobodnych elektronów. Natomiast zaczynając pracę na Technion rozpocząłem eksperymenty w kwantowym reżimie nauki o swobodnych elektronach.

Aby dojść do tego miejsca, w którym teraz jestem, musiało się wydarzyć zatem wiele rzeczy, często zupełnie przypadkowo, ale i przy pewnej dozie szczęścia. Dlatego wciąż powtarzam moim studentom, by byli otwarci na nowe pomysły i dali szansę nawet takim, które na pierwszy rzut oka wydają się szalone. Nigdy bowiem nie wiadomo, która ze ścieżek będzie tą najlepszą.

W swoich pracach i doświadczeniach udowodnił Pan, że statystyka kwantowa fotonów może być zakodowana w elektronie. Jakie nowe perspektywy badawcze otwierają te wyniki?

Jak to często bywa w przypadku takich eksperymentów, mój artykuł (opublikowany w 2021 r. w „Science”) dał początek zupełnie nowej dziedzinie, o jeszcze większym znaczeniu niż to, czym zajęliśmy się w opisywanym eksperymencie: optyce kwantowej silnego pola.

Wyjaśnię jej pochodzenie. Cztery dekady postępów w optyce nieliniowej zaowocowały licznymi osiągnięciami w kwestii attosekund, co finalnie doprowadziło do otrzymania przez trójkę naukowców zajmujących się tą tematyką Nagrody Nobla w 2023 r. 

W swoich publikacjach wykazałem, że takie zjawiska są wrażliwe na kwantową naturę światła, przełamując ugruntowany sposób myślenia, że optyka kwantowa ma znaczenie tylko dla procesów kilkufotonowych, podczas gdy światło o wysokiej intensywności zachowuje się klasycznie. Dziś uważa się, że to właśnie te artykuły dały początek nowej dziedzinie nauki, jaką jest optyka kwantowa z makroskopową liczbą fotonów.

Więcej na ten temat prof. Ido Kaminer opowiada w swoim webinarze.

W świecie nauki jest Pan ceniony za umiejętność łączenia teorii z przeprowadzaniem eksperymentów. Jak się Panu udaje połączyć te dwie kwestie? I która z nich jest dla Pana trudniejsza?

Udaje mi się łączyć obie kwestie, ponieważ miałem to szczęście, że mój doktorat dotyczył obu tych światów. Zawdzięczam to wspaniałemu środowisku naukowemu w Technion oraz mojemu mentorowi, prof. Moti Segevie, który wniósł – i nadal wnosi – ogromny wkład w moje teorie i eksperymenty.

Zachęcam swoich podopiecznych, aby próbowali swoich sił zarówno w teorii, jak i praktyce. Z dumą mogę powiedzieć, że niektórym to się już udaje. Na przykład doktoranci Yaniv Kurman i Raphael Dahan opublikowali swoje prace eksperymentalne i teoretyczne w liczących się czasopismach.

Wielkim wsparciem są też wspaniali studenci, którzy wzmacniają moja grupę. Realizujemy wspólnie niesamowite i bardzo złożone projekty, w których łączymy nowatorskie koncepcje teoretyczne i budujemy własne unikalne konfiguracje w laboratorium.

Co uważa Pan za swoje największe osiągnięcie do tej pory i jakie ma Pan plany na kolejne lata?

Ciężko to określić już teraz. Przydałaby się z pewnością jakaś perspektywa czasowa. Ale jeśli miałbym wybrać jedno osiągnięcie, to byłby to fakt, że moje laboratorium pokazało zjawiska kwantowe przy prędkościach relatywistycznych – co jest nietrywialną kombinacją.

Kluczowe dla rozwoju technologii, od kuchenek mikrofalowych po lasery na swobodnych elektronach, promieniowanie związane ze swobodnymi elektronami (i powiązane zjawiska, takie jak promieniowanie Czerenkowa) było uważane za falę klasyczną przez ponad sto lat. Moja pierwsza praca teoretyczna na temat promieniowania elektronowego przełamała ten paradygmat, prowadząc do pierwszej obserwacji kwantowej natury promieniowania Czerenkowa. Pokazaliśmy to w laboratorium Technion.

Później wykazaliśmy też, że promieniowanie Czerenkowa może nawet zostać splątane z emitowanym elektronem. Rozpoczęło to serię artykułów teoretycznych różnych grup oraz pierwszy eksperyment, przeprowadzony w moim laboratorium, który wykazał cechy których nie można wyjaśnić, traktując światło jako falę klasyczną. Te i kolejne prace stworzyły dziedzinę kwantowej optyki swobodnych elektronów.

Wychodząc w przyszłość uważam, że tworzenie efektów kwantowych wśród elektronów powinno zostać wykorzystane do zbudowania nowej technologii obrazowania kwantowej koherencji materii.

Przyczyni się to do rozwoju nauk podstawowych, ponieważ takie mikroskopy kwantowe pozwolą nam odpowiedzieć na otwarte pytania dotyczące roli mechaniki kwantowej w wielu dziedzinach nauki, które obecnie uważane są za fizykę klasyczną.

Każdego laureta nagrody Lem Prize pytamy o to, czy zna twórczość tego słynnego polskiego pisarza. Jak to jest w Pana przypadku?

Tak, zdecydowanie! Dorastałem czytając niektóre z jego książek. Uważam też, że hebrajskie tłumaczenie „Solaris” jest znacznie lepsze niż angielskie, ponieważ zostało przetłumaczone bezpośrednio z oryginalnej polskiej wersji.

Z perspektywy lat ze zdumieniem patrzę na dokonania Stanisława Lema. Jego najsłynniejsze dzieło ukazało się przecież jeszcze zanim pierwszy człowiek stanął na Księżycu, Mimo to Stanisław Lem „był” z nami i jako czołowy intelektualista „komentował” to, jak zmienił się świat po 11 września. Określił wojnę z terroryzmem jako sprowadzenie nas z kosmosu z powrotem na ziemię.

Podoba mi się fakt, że pamięć wielkiego pisarza, takiego jak Stanisław Lem, który jest szczególnie znany ze swojej wielkiej kreatywności, została uhonorowana właśnie przez nagrodę w dziedzinie badań naukowych. Kreatywność była i nadal jest cechą, którą najbardziej doceniamy w odkryciach naukowych.

Czy zdarzyło się Panu być już w Polsce wcześniej? Albo współpracować z naukowcami z naszego kraju?

To moja druga wizyta w Polsce. Pierwszy raz byłem tu jako dziecko, więc dopiero teraz będą miał szansę poznać kulturę współczesnej Polski i spotkać się ze społecznością naukową. Przez lata współpracowałem z kilkoma polskimi naukowcami, ale myślę, że teraz będę mieć jeszcze więcej okazji do takich kontaktów.

Jest Pan bardzo zapracowanym człowiekiem, czy w Pana życiu jest miejsce na jakieś hobby? Jakąś odskocznię od swoich obowiązków?

To dla mnie podchwytliwe pytanie, ponieważ tak naprawdę nauka jest również moim hobby!

W wolnym czasie uprawiam sport oraz podróżuje, głównie z moją żoną, Noam, z którą wzięliśmy ślub rok temu. Najbardziej lubię jeździć do nowych miejsc. Niektóre z moich najlepszych wspomnień pochodzą z dzikich miejsc o ogromnym, naturalnym pięknie. Góry, pustynie – im bardziej nietypowa sceneria, tym lepiej.

To, co najbardziej kocham w podróżowaniu, to możliwość doświadczenia czegoś zupełnie nowego i zaskakującego: od nowych kultur i nieoczekiwanych fragmentów historii po ultranowoczesne środowiska.