In quanto membro del gruppo del suo supervisore di tesi,Helmut Rauch, all'Università tecnica di Vienna, Zeilinger ha partecipato a molti esperimenti diinterferometria neutronica all'Institut Laue-Langevin (ILL) diGrenoble. Il suo primo di questi esperimenti confermò subito una predizione fondamentale della meccanica quantistica, il cambiamento di segno nella fase di unospinore per effetto di una rotazione di 360°. A questo fece seguito la prima realizzazione sperimentale di una sovrapposizione coerente di spin dionde di materia.
Ha continuato il suo lavoro in interferometria neutronica alMIT conClifford G. Shull (premio Nobel per la fisica nel1955), concentrandosi in special modo su effetti didiffrazione dinamica deineutroni nei cristalli perfetti, dovuti a sovrapposizioni coerenti a più onde. Dopo il suo ritorno in Europa, ha realizzato uninterferometro per neutroni molto freddi che ha anticipato successivi esperimenti con atomi. Tali esperimenti hanno incluso un test più preciso della linearità della meccanica quantistica e unesperimento della doppia fenditura con un solo neutrone alla volta nell'apparato. In realtà, in quell'esperimento, mentre veniva registrato l'arrivo di un neutrone, il neutrone successivo ancora risiedeva nel nucleo diuranio, in attesa che avvenisse lafissione.
Insieme aDaniel Greenberger eMichael Horne, Zeilinger ha scritto il primo articolo in assoluto sull'entanglement quantistico con più di due particelle. Il teorema risultante, dettoGHZ, è stato fondamentale per la fisica quantistica poiché fornisce la contraddizione più succinta fra ilprincipio di località e le predizioni della meccanica quantistica. Inoltre, gli stati GHZ costituiscono il primo esempio di entanglement a molte particelle mai investigato. Tali stati sono divenuti essenziali nell'informazione quantistica. Gli stati GHZ sono adesso anche una voce dei codiciPACS.
Come professore all'Università di Innsbruck, Zeilinger ha iniziato esperimenti su fotoni in statientangled. Il suo scopo, dagli inizi degli anni novanta in poi, di dimostrare la contraddizione GHZ, ebbe finalmente successo nel1998.
Lungo tale percorso, Zeilinger ha sviluppato molti strumenti nuovi per la fisica dei fotoni entangled, per esempio una forte sorgente di fotonientangled rispetto alla polarizzazione, tecniche per l'identificazione deglistati di Bell e metodi per produrre l'emissione coerente di più di una coppia entangled da un cristallo. La tecnologia risultante gli ha permesso di eseguire un numero di primi esperimenti di informazione quantistica con i fotoni entangled. Il primo utilizzo in assoluto dell'entanglement in un qualsiasi protocollo di informazione quantistica è stata la dimostrazione di codice iperdenso. I suoi successi includono inoltre la prima crittografia basata sull'entanglement, il primo esperimento di teletrasporto quantistico di un fotone indipendente, la prima realizzazione di scambio di entanglement e l'esperimento che chiude il circolo vizioso della comunicazione in un test dellediseguaglianze di Bell.
Dal 2000, le ricerche di Zeilinger si sono concentrate sul calcolo quantistico completamente basato sull'ottica, lo sviluppo di sistema a crittografia quantistica basata sull'entanglement, ed esperimenti con coppie di fotoni entangled su distanze lunghissime. Negli esperimenti dicalcolo quantistico basato sull'ottica, Zeilinger e il suo gruppo sono stati i primi a dimostrare un certo numero di procedure di base come lapurificazione di entanglement e particolari porte quantistiche. Ciò è culminato nelle prime dimostrazioni di calcolo quantistico ad una via, includendo più recentemente il controllo attivo ultraveloce. Lo schema di calcolo quantistico ad una via è stato utilizzato per realizzare l'algoritmo di ricerca di Grover e vari giochi quantistici, incluso ildilemma del prigioniero.
Incrittografia quantistica, il gruppo di Zeilinger sta sviluppando un prototipo in collaborazione con l'industria. Mentre la maggior parte della comunità stava lavorando su uno schema molto più semplice con l'uso di impulsi laser deboli, Zeilinger ha basato il suo approccio esclusivamente su schema più complicati utilizzando fotoni entangled. Una dimostrazione recente che l'entanglement è una condizione necessaria per la sicurezza del canale quantistico conferma la correttezza di questa scelta.
Gli esperimenti di Zeilinger sulla distribuzione dell'entanglement su grandi distanze è cominciata sia con la comunicazione su spazio libero sia su fibra ottica e con il teletrasporto tra laboratori posti su luoghi opposti del fiumeDanubio. Ciò è stato esteso a distanze più grandi attraverso la città diVienna e, nel2012, fino a 147 km fra due delleIsole Canarie, battendo la misura stabilita solo pochi giorni prima da un'équipe cinese e aprendo la strada alla comunicazione quantistica con satelliti[6]. Il suo sogno era di far rimbalzare luce entangled dai satelliti in orbita. Ci è riuscito con un esperimento in Italia con ilMatera Laser Ranging Observatory[7].
Un'importante e fondamentale ricaduta di questi esperimenti è stato il primo test, nel2007, di una teoria realistica non locale proposta daAnthony James Leggett che va significativamente oltre ilteorema di Bell. Mentre Bell dimostrò che una teoria che sia al contempo locale e realistica è in contraddizione con la meccanica quantistica, Leggett considerò teorie realistiche non locali in cui si assume che i fotoni individuali trasportino polarizzazione. La disuguaglianza risultante si è dimostrato essere violata negli esperimenti del gruppo di Zeilinger.
Parallelamente con il lavoro sull'entanglement quantistico con i fotoni, agli inizi degli anni novanta Zeilinger iniziò degli esperimenti nel campo dell'ottica atomica. Sviluppò un numero di modi per manipolare in maniera coerente dei fasci atomici, molti dei quali, allo stesso modo dello spostamento in energia coerente di un'onda atomica di de Broglie dopo la diffrazione da un'onda luminosa modulata temporalmente, sono divenuti elementi portanti degli esperimenti odierni sugliatomi ultrafreddi.
Nel1999, Zeilinger ha abbandonato l'ottica atomica per esperimenti con macromolecole difullerene, molto complesse e massicce. La dimostrazione riuscita di interferenza quantistica per le molecole di fullerene C60 e C70 ha aperto un campo di ricerca molto attivo. Risultati chiave includono il più preciso studio quantitativo delladecoerenza da radiazione termica e per collisioni atomiche e la prima interferenza quantistica tra macromolecole complesse di tipo biologico. Questa attività prosegue conMarkus Arndt.
Nel2005, Zeilinger con il suo gruppo hanno iniziato un nuovo filone di ricerca, la fisica quantistica di microleve meccaniche. Il gruppo è stato il primo a dimostrare per via sperimentale l'auto-raffreddamento di un micro-specchio per effetto della pressione di radiazione, ossia senza retroazione. Tale fenomeno può essere visto come una conseguenza dell'accoppiamento di un sistema meccanico ad altaentropia con un campo di radiazione a bassa entropia. Questa attività prosegue ora conMarkus Aspelmeyer.
^Motivazione: - "Per i suoi contributi pionieristici concettuali e sperimentali ai fondamenti della fisica quantistica, che hanno costituito il punto di svolta per il campo in continua crescita dell'informazione quantistica."
