- Zanim zaobserwujemy cząstkę, nie możemy powiedzieć, że ona gdzieś była, ale nie możemy też powiedzieć, że nie było jej nigdzie. Język słabo sobie radzi z opisem zjawisk z mechaniki kwantowej - mówił w 2015 roku w rozmowie z Polską Agencją Prasową jeden ze zdobywców tegorocznego Nobla z fizyki prof. Anton Zeilinger.
Tegorocznymi laureatami Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki zostali: Alain Aspect, John F. Clauser i Anton Zeilinger. Komitet Noblowski uhonorował naukowców za prace dotyczące mechaniki kwantowej. Argumentował, że wyniki ich badań utorowały drogę dla nowej technologii, opartej na informacjach kwantowych.
Prof. Anton Zeilinger (ur. 1945 r.) jest wybitnym austriackim specjalistą z zakresu fizyki doświadczalnej. Znany jest m.in. z tego, że dokonał pierwszej na świecie kwantowej teleportacji (1997 r.). Jest też laureatem m.in. prestiżowej Nagrody Fundacji Wolfa w dziedzinie fizyki za rok 2010 i nagrody im. Isaaka Newtona w 2007 r.
***
Dla osób, które nie są fizykami, mechanizmy rządzące światem kwantowym mogą się wydawać sprzeczne z intuicją. Cząstki mogą być w superpozycji, a więc być nie w jednym miejscu naraz albo mogą być splątane i "komunikować się" na odległość... Czy są rzeczy w fizyce kwantowej, których pan, światowej klasy ekspert, ciągle nie rozumie, nie potrafi sobie wyobrazić, w które nie może pan uwierzyć?
Prof. Anton Zeilinger: Ciągle nie wiemy, dlaczego w przyrodzie jest mechanika kwantowa. Co innego jest z teorią względności Alberta Einsteina. Ona bazuje na tym, że prawa fizyki są w różnych miejscach takie same. I u nas, którzy siedzimy w miejscu, i w pociągu, który się szybko porusza. A w mechanice kwantowej nie mamy takiej zasady. Nie rozumiemy, skąd właściwie ta mechanika się wzięła. Chociaż nie mamy wątpliwości, że ona prawidłowo opisuje świat. Przeprowadzono już pewnie miliony doświadczeń, które potwierdzają słuszność mechaniki kwantowej. Poza tym na odkryciach mechaniki kwantowej bazują działające już urządzenia - np. półprzewodniki czy układy w telefonach.
Jestem ciekaw, jaka filozofia kryje się za fizyką kwantową. W końcu mechanika kwantowa różni się od tego, co widzimy na co dzień, od rzeczywistości, której doświadczamy. Czy pana podejście do świata, myślenie o rzeczywistości zmieniło się pod wpływem przemyśleń na temat mechaniki kwantowej?
- Według mnie są dwie ważne sprawy. Najważniejszą konsekwencją, jaka wiąże się z mechaniką kwantową, jest to, że nie można zakładać, że system kwantowy ma właściwości, zanim dokona się jego obserwacji, zanim dokona się na nim pomiarów. Jeśli więc zaobserwuję cząstkę, która propaguje się w przestrzeni i znajdę ją w jakimś miejscu, nieprawidłowe jest założenie, że cząstka była tam, zanim ją zaobserwowałem. Nieprawidłowym jest w ogóle zakładanie, że cząstka była w jakimś zdefiniowanym miejscu, zanim się ją zmierzyło.
Czyli co, ta cząstka była nigdzie? Czy może nie było tej cząstki?
- Nasz codzienny język sobie z tym nie radzi. Błędnym jest spodziewać się, że cząstka była w konkretnym miejscu. Niektórzy mówią, że cząstka była "rozmazana" w przestrzeni. Ale cząstka nie wie, gdzie jest i nikt tego nie wie. Jest niezdefiniowana. Spodziewanie się, że ona "gdzieś była" jest mylne. Tak samo, jak mylne jednak jest również zakładanie, że jej "nigdzie nie było".
A cząstki się zmieniają, kiedy je zaobserwujemy?
- Stany kwantowe się zmieniają. A stan kwantowy to reprezentacja informacji, którą mamy. Ale mówienie, że cząstka się zmienia, jest znowu nieodpowiednim językiem. Jeśli powie się, że cząstka się zmienia, to zakłada się, że cząstka miała wcześniej zdefiniowane właściwości. A to jest błędne założenie.
Wspomniał pan o dwóch ważnych pana zdaniem filozoficznych konsekwencjach fizyki kwantowej. O jednej już pan powiedział. Jaka jest ta druga?
- Kolejną ciekawą konsekwencją jest to, że mechanika kwantowa uświadamia nam w nowy sposób, czym jest przypadkowość. Załóżmy, że ma się radioaktywny atom, który ulega rozpadowi. To, kiedy ten atom się rozpadnie, jest jednak przypadkowe. Nie można więc wyjaśnić, dlaczego atom rozpada się w danym momencie. Nie ma tu przyczyny. W codziennym życiu spodziewamy się, że dla wszystkiego, co zachodzi, jest przyczyna, powód. Ale pojedyncze zdarzenia w świecie kwantowym nie mają przyczyny. Tylko dla wielu cząstek razem jest przyczyna. Ale nie dla pojedynczych. I to nie jest tak, że nie znamy przyczyny. Tej przyczyny po prostu nie ma.
No to dlaczego w przypadku wielu cząstek taka przyczyna już może wystąpić?
- Każdy pojedynczy przypadek w grupie cząstek jest przypadkowy, ale możemy już prognozować - z pewną dozą niepewności - co się stanie z całą grupą, kiedy cząstek będzie wiele.
Dzięki panu udała się pierwsza kwantowa teleportacja kubitu (kubit - jednostka informacji kwantowej - przyp. red.). Zastanawiam się, czy teleportacja występuje spontanicznie w przyrodzie. A może teleportacja, której pan dokonał, była pierwszą w historii Wszechświata?
- Nikt tego nie wie. Podobnie jest ze splątaniem kwantowym: ono powinno istnieć we Wszechświecie. Nawet w świetle emitowanym przez gwiazdy. To powinno być normą, ale nikt tego jeszcze nigdy nie zaobserwował. Jesteśmy dopiero na początku nauki o takich zjawiskach.
Co się wydarzyło w zakresie teleportacji kwantowej od czasów pana pierwszych doświadczeń?
- Kwantowa teleportacja uważana jest za idealny sposób, by w przyszłości komputery kwantowe komunikowały się ze sobą. Taka teleportacja jest np. niezbędnym elementem, aby wytworzyć kwantowe wzmacniacze sygnału. W kwantowej sieci informacyjnej, gdzie przesyłane są kubity informacji, sygnał może się czasem zagubić - tak, jak i w zwyczajnej sieci. Potrzeba więc wzmacniaczy, regeneratorów sygnału, by poprawiać błędy, które powstają. A w budowie takich urządzeń może się przydać znajomość zjawiska teleportacji. Prace nad takimi wzmacniaczami już trwają, również w Warszawie i myślę, że pierwsze takie urządzenia powstaną za kilka lat. Z kolei za 10-20 lat będziemy mieć już może komputery kwantowe, które pozwolą rzeczywiście na coś nowego.
Kiedy pan patrzy na swoją karierę naukową, z czego jest pan najbardziej dumny?
- Tym, co było dla mnie najbardziej zaskakujące i ciekawe, było odkrycie splątania więcej niż dwóch cząstek. Efekt ten jest nie tylko ciekawy, ale i ważny - można go zastosować w kwantowych komputerach.
Maksymalnie ile cząstek możemy na razie ze sobą splątać?
- Na razie światowy rekord to chyba 30-40. Ale nie ma limitów, to kwestia rozwijania nowych metod. Jeśli jednak splątanych jest wiele cząstek, zawierają one tyle informacji, że trudno nawet zanalizować, co się ma. 70-80 cząstek zawiera więcej informacji, niż jesteśmy w stanie zgromadzić na wszystkich komputerach świata.
To skąd w ogóle można będzie wiedzieć, że są splątane?
- To pytanie pozostaje otwarte, badacze nie znają jeszcze na nie odpowiedzi.
Źródło: www.naukawpolsce.pap.pl, Ludwika Tomala, fot. Jaqueline Godany, CC BY 4.0, via Wikimedia Commons
