Jakie są implikacje życia w kwantowym świecie? Kiedy możemy się spodziewać pierwszego w pełni funkcjonującego komputera kwantowego? Dlaczego nasza codzienna logika dostarcza nam innych wyników niż logika kwantowa? Okazuje się, że na te pytania niełatwo odpowiedzieć nawet najlepiej wykształconym uczonym. O złożoności podstaw teorii kwantowej rozmawialiśmy z prof. Borivojem Dakiciem z Uniwersytetu Wiedeńskiego, którego grupa badawcza mierzy się z najważniejszymi i najtrudniejszymi pytaniami z zakresu fizyki kwantowej.

Prof. Borivoje Dakić przyjechał do Uniwersytetu Gdańskiego w ramach programu „Profesorowie Wizytujący”. Jego wizyta wpisuje się również w długą tradycję współpracy pomiędzy UG a Uniwersytetem Wiedeńskim, rozpoczętej przez prof. Antona Zeilingera i prof. Marka Żukowskiego.

Marcel Jakubowski: - Na początku XX w. kilku naukowców, takich jak Bohr, Heisenberg czy Schrödinger, zaczęło zdawać sobie sprawę, że nie żyjemy w świecie mechanicznym, ale kwantowym. Jakie są implikacje tej zmiany paradygmatu?

Prof. Borivoje Dakić: - Rozwój mechaniki kwantowej ma długą historię. Naukowcy tacy jak Schrödinger, Heisenberg i Dirac rozwinęli formalizm mechaniki kwantowej, który był bardzo dziwny dla ich współczesnych. Wprowadził on pewne pojęcia idące w poprzek wszystkiego, co istniało w fizyce wcześniej, takie jak przestrzenie Hilberta, unitarność czy funkcje falowe. Mimo że ten formalizm odniósł ogromny sukces i wywołał rewolucję w technologii, pojawiło się pewne zgorzknienie i brak zrozumienia dla jego znaczenia. John Bell sformułował twierdzenie, które pokazywało rozbieżność pomiędzy teorią kwantową a naszym klasycznym postrzeganiem świata. Początkowo twierdzenie Bella nie zostało uznane za naprawdę ważne odkrycie, ale rozpoczęło nową dyskusję w kręgu zaciekawionych fizyków. Wcześniej wciąż istniała nadzieja, że dziwny formalizm kwantowy da się zreinterpretować w duchu standardowych koncepcji fizyki, ale po twierdzeniu Bella stało się jasne, że to niemożliwe. Naukowcy wysunęli wiele interpretacji mechaniki kwantowej, jak choćby teoria wieloświata. Niektórzy mówią o teorii kwantowej jako koncepcji nielokalnej, inni – o ontologicznych prawdopodobieństwach. Nie ma w tej kwestii konsensusu, jest to wciąż przedmiot dyskusji. Jednak dzięki temu procesowi pojawiła się nowa dziedzina – kwantowa informacja, która narodziła się z badania podstaw kwantowości. Punktem zwrotnym tych badań było twierdzenie Bella.

- Jeśli dobrze rozumiem, połączenie teorii kwantowej z ustalonymi wcześniej zasadami mechaniki nie było łatwe?

- Nie chodzi tylko o świat mechaniki, chodzi o naszą logikę. Pięknym tego przykładem jest sformułowanie twierdzenia Bella jako gry dwojga uczestników – Alice i Boba – z sędzią [Alice i Bob próbują wspólnie osiągnąć określony efekt, polegający na dostarczeniu sędziemu cząstek spełniających zadane kryteria – przyp. tłum.]. Oboje mogą współdzielić zasoby kwantowe. Stosując typowe zasady logiki, zobaczylibyśmy, że wygrają określoną liczbę razy, a prawdopodobieństwo zwycięstwa wyniesie do 75%. Posługując się kategoriami mechaniki kwantowej, możemy powiedzieć, że jeśli dzielą stan splątania, to prawdopodobieństwo ich zwycięstwa sięgnie 85%. Matematyka teorii kwantowej daje taki wynik, ale co to oznacza? Mówiąc krótko, nie znam odpowiedzi na pana pytanie. Badam mechanikę kwantową od ponad 15 lat, ale muszę przyznać, że nie znalazłem satysfakcjonującej odpowiedzi.

- Czyli nie powinno zaskakiwać, że teoria kwantowa czy też mechanika kwantowa zainspirowała licznych filozofów?

- Dokładnie tak. Jasne jest, jak stosować formalne zasady w kwestiach obliczeniowych, ale znaczenie i ontologia tego procesu pozostają niejasne. Niektórzy filozofowie powiedzieliby, że teoria kwantowa jest ontologicznie niekompletna. Dlatego mamy różne interpretacje mechaniki kwantowej, od teorii wielu światów po nielokalność kwantowości.

- Czy interesują pana filozoficzne aspekty mechaniki kwantowej?

- Oczywiście. Wywodzę się z Grupy Wiedeńskiej, która zajmuje się tymi zagadnieniami od lat. Promotorem mojego doktoratu był Časlav Brukner, który z kolei był doktorantem Antona Zeilingera. Reprezentujemy tę samą szkołę myślenia. Główną siłą napędową badań są pytania fundamentalne, ściśle związane z informacją kwantową. Tym sposobem, badając koncepcje, odkrywamy zarazem protokoły dla kwantowej informacji. Istnieje mocna strona teoretyczna, która idzie ręka w rękę z aspektem stosowanym takich badań.

- Zatem pana praca jest głównie teoretyczna - jednak powiedział Pan kiedyś, że pana badania są niemal natychmiast weryfikowane eksperymentalnie przez pracujący równolegle zespół naukowców, również z Uniwersytetu Wiedeńskiego. Jak działa ta symbioza? Jakie są jej zalety?

- Uniwersytet Wiedeński jest jedną z bardzo nielicznych placówek na świecie, gdzie można prowadzić tego typu badania jako teoretyk. Myślę, że jeśli jest się dobrym fizykiem, trzeba znać zarówno teorię, jak i stronę eksperymentalną. Fizyka wymaga empirycznego potwierdzenia – o tym, czy jakaś teoria jest poprawna, czy nie, ostatecznie decyduje eksperyment. Mamy niesamowitą synergię między naszym zakładem teoretycznym i eksperymentalnym. Rozmawiamy ze sobą, regularnie spotykamy się na seminariach i wymieniamy pomysły. Zakład eksperymentalny jest bardzo zainteresowany testowaniem naszych najnowszych odkryć. To wielka szansa dla obu stron!

- Czy obecna technologia pozwala Wam na testowanie wszystkich teoretycznych odkryć?

- Powiedziałbym, że większość moich badań może być przetestowana, ale są inne grupy na naszym uniwersytecie, które zajmują się bardziej futurystycznymi obszarami, takimi jak kwantowa grawitacja. To są teorie, które być może będziemy w stanie przetestować za 10 lub 20 lat.

- Które technologie kwantowe mają największy potencjał, aby zmienić świat?

- Tego tak naprawdę nikt obecnie nie wie. Możemy jedynie stawiać pewne hipotezy. Na pewno jednym z takich zastosowań jest cyberbezpieczeństwo, ponieważ kwantowa dystrybucja klucza jest prawdopodobnie najdojrzalszą spośród technologii kwantowych. To już istnieje. Jest bardzo proste. Nie wymaga dużych systemów kwantowych czy dużego splątania, więc bezpieczna komunikacja kwantowa ma prawdopodobnie największy potencjał – zwłaszcza, jeśli można dla niej znaleźć konkretne zastosowania w prawdziwym świecie. Jeśli chodzi o inne technologie kwantowe, jak np. komputer kwantowy, zajmuje się nimi wielu dużych graczy. Wiele firm pracujących nad tą technologią nie opublikuje swoich wyników, dokąd nie stworzy w pełni funkcjonującego komputera kwantowego. Nie mamy pojęcia, co dzieje się w Chinach, tak naprawdę nie wiemy, nad czym pracuje amerykańska armia i tak dalej. Ciężko jest zatem ocenić aktualny postęp w tych kwestiach. Nie wiemy, czy kiedykolwiek uda się osiągnąć praktyczne zastosowania technologii kwantowych. Wśród społeczności naukowej panuje jednak ogólny konsensus, że zbliżamy się do chwili, gdy osiągniemy wystarczającą złożoność systemów kwantowych. Mamy pułapki jonowe, które mogą przetworzyć setki kubitów i inne systemy, które mogą operować tysiącami. To są ogromne systemy kwantowe, więc musi być dla nich jakieś zastosowanie. Pytanie brzmi: jak zidentyfikować ich zalety? To wymagałoby pełnej optymalizacji każdego jednego komponentu i próbowania znalezienia w nich czegoś użytecznego. Naukowcy są zgodni, że coś się pojawi, ale co dokładnie? W tej chwili nie wiadomo.

- Jak Nagroda Nobla dla prof. Antona Zeilingera wpłynęła na Wasz uniwersytet i na Wydział Fizyki?

- Jeśli chodzi o konkrety, niewiele się zmieniło, ale zmieniło się postrzeganie badań podstawowych. Wcześniej niektórzy uczeni zajmujący się fizyką konwencjonalną uważali podstawy kwantowości za bezsensowne badania – teraz można im pokazać, że ten obszar został wyróżniony Nagrodą Nobla. To było światowe uznanie, Komitet Noblowski pokazał ludziom, że dzisiejsze badania podstawowe to technologie przyszłości, nawet jeśli dzieli nas od nich 100 lat. To jedna strona medalu. Druga jest taka, że przesuwamy granice ludzkiego poznania, niezależnie, czy okaże się to użyteczne, czy nie.

- Pana współpraca z Uniwersytetem Gdańskim wpisuje się w dłuższą tradycję, rozpoczętą przez prof. Marka Żukowskiego i prof. Antona Zeilingera. Czy postrzega Pan swoją wizytę jako część tej spuścizny, czy jako coś zupełnie nowego?

- Jedno i drugie. Kiedy byłem jeszcze doktorantem Časlava Bruknera, Marek dość często przyjeżdżał do Wiednia. Pracowaliśmy razem i wiele się od niego nauczyłem. Opublikowałem także jeden z moich pierwszych artykułów wspólnie z Tomaszem Paterkiem z Uniwersytetu Gdańskiego. Również Marcin Pawłowski zrealizował część swojego doktoratu w Wiedniu. Istnieje długa tradycja ustanowiona przez Antona Zeilingera i Marka Żukowskiego, ale my jesteśmy nowym pokoleniem. Chcemy kontynuować i poszerzać współpracę, ponieważ okazała się korzystna dla obu instytucji. Nowy wymiar tej relacji opiera się na zastosowaniu technologii kwantowej. Na przykład Marcin Pawłowski próbuje skomercjalizować swoje pomysły za pomocą start-upu Sequre Quantum. Chcemy kontynuować tradycję badań podstawowych, ale jako nowe pokolenie chcemy też dodawać nowe elementy, takie jak ich praktyczne zastosowanie.