„Przyczynowość relatywistyczna a przetwarzanie informacji”- projekt zgłoszony do konkursu NCN przez Międzynarodowe Centrum Teorii Technologii Kwantowych zyskał finansowanie w wysokości ponad 3,4 mln zł. - Pytamy o to, jakie są absolutnie fundamentalne ograniczenia na przetwarzanie informacji w dowolnych sensownych teoriach fizycznych. Także takich, których ... jeszcze nie ma – mówi prof. dr hab. Paweł Horodecki, kierownik projektu.
MAESTRO 13 to konkurs na projekty badawcze, kierowany do doświadczonych naukowców. Projekty mające na celu realizację pionierskich badań naukowych, w tym interdyscyplinarnych, ważnych dla rozwoju nauki, wykraczających poza dotychczasowy stan wiedzy, których efektem mogą być odkrycia naukowe, mają największą szansę na finansowanie.
Jak zauważają naukowcy z Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych UG, silniejsze korelacje w danej teorii pozwalają na lepsze przetwarzanie informacji. Np. mechanika kwantowa pozwala na silniejsze korelacje niż klasyczna (fotony w stanach splątanych łamią tzw. nierówności Bella, a korelacje uzyskane przez rozdarcie banknotu i wysłanie jego fragmentów do dwóch różnych miast - nie łamią tych nierówności), co przedkłada się np. na możliwość wytworzenia klucza kryptograficznego oraz na redukcję złożoności komunikacyjnej przy obliczaniu pewnych funkcji.
Pytanie, jak silne korelacje mogłyby powstawać w przyrodzie? Realizacja projektu pt. „Przyczynowość relatywistyczna a przetwarzanie informacji” pozwoli na zrozumienie fundamentalnych ograniczeń na przetwarzanie informacji w przyrodzie, co jak zauważają naukowcy, ma istotne znacznie nie tylko z perspektywy odkrywania podstawowych praw fizyki, ale również w kontekście potencjalnych zastosowań w kryptografii czy komunikacji w przestrzeni kosmicznej.
- Od 1994 roku powstawały hipotezy m. in. o istnieniu silniejszych klas zaproponowane przez Popescu i Rohrlicha, takie hipotetyczne korelacje badano dość intensywnie – zauważa prof. dr hab. Paweł Horodecki. - Trzy lata temu z dr. Ravishankarem Ramanathanem uogólniliśmy i częściowo przebadaliśmy, co prawda tylko na pewnym przykładzie, najbardziej ogólną z klas, którą - poza jednym artykułem (J. Grunhaus, D. Rohrlich, S.Popescu, 1996) - nikt się wcześniej nie zajmował. Jej istotą jest minimalne założenie na teorię fizyczną, w której mogłyby się pojawiać.
Prof. Paweł Horodecki tłumaczy, że wymagania są tylko dwa, aby areną teorii była czasoprzestrzeń znana z teorii względności Einsteina i by nie pojawiały się prowadzące do sprzeczności podróże w czasie. Słynnym przykładem takiej sprzeczności jest paradoks pradziadka, gdy ktoś cofa się w czasie i uniemożliwia spotkanie prababci przez pradziadka, co skutkowałoby nieistnieniem tego kogoś, kto właśnie tego w swojej przeszłości dokonuje. Brak sprzeczności tego typu traktowany jest tu jako warunek sensowności danej teorii fizycznej.
- Okazało się, że korelacje spełniające wyłącznie drugi warunek mogą posiadać zagadkowe kombinacje cech – mówi prof. Paweł Horodecki. - Rok temu opublikowaliśmy pracę, która mówi, że standardowe protokoły kryptograficzne (klasyczne lub kwantowe) z użyciem takich korelacji nie mogą działać, np. w przypadku satelitów oznaczałoby to, że z pomocą odpowiednich kombinacji położeń w czasoprzestrzeni dwóch współpracujących intruzów zawsze może przechwycić klucz kryptograficzny, o ile był wytwarzany znanymi dotychczas metodami.
Dzięki projektowi zbadane zostaną teorio-informacyjne własności różnych teorii wychodzących poza standardową mechanikę kwantową. Jako podstawowy aksjomat przyjęta zostanie zasada niesprzeczności z relatywistyczną strukturą przyczynową, czyli brak paradoksów logicznych.
- Istotą projektu jest postawienie ogólnego problemu zasad przetwarzania informacji w dowolnej teorii, która zabrania wyżej wymienionych paradoksów. W szczególności celem jest badanie ,,teorioinformacyjnej mocy" tych korelacji - tłumaczy prof. Paweł Horodecki. - Przykładowo, jednym z celów będzie sprawdzenie, czy istnieją jakieś inne, nowe protokoły kryptograficzne, które są bezpieczne, a także skonstruowanie modelu fizycznego, w którym takie korelacje mogłyby się objawiać.
Projekt pt. „Przyczynowość relatywistyczna a przetwarzanie informacji” proponuje także pewną próbę konstruktywnego rozwiązania trudnego, dotyczącego kwantowych korelacji problemu z pogranicza matematyki i fizyki - problemu Tsirelsona. Rozwiązanie takie przyniosłoby jawną postać korelacji kwantowych nowego rodzaju. W takim przypadku naukowcy z UG będą próbowali powiązać i porównać je ze owymi hipotetycznymi ,,postkwantowymi” – ograniczonymi tylko przez brak paradoksów logicznych.
Środki finansowe przeznaczone przez NCN na realizację projektów badawczych w ramach konkursu MAESTRO 13 to 20 mln zł.