"To droga ku komputerom kwantowym. Jeśli powstaną, spowodują spustoszenie" [NOBEL Z FIZYKI]

Laureatami Nagrody Nobla z fizyki zostali Serge Haroche z Francji i David Wineland z USA za badania z dziedziny optyki kwantowej. 'Otworzyli drzwi do nowej ery eksperymentów w fizyce kwantowej prezentując bezpośrednią obserwację cząstek kwantowych bez niszczenia ich' - głosi uzasadnienie Komitetu Noblowskiego.

Fizyka kwantowa jest obiektem badań naukowców od ponad stu lat, kiedy to miedzy innymi za sprawa Alberta Einsteina wprowadzone zostało pojecie fotonu - niepodzielnej porcji energii niesionej przez światło. Dziedzina bada m.in. zachowania cząstek elementarnych. To właśnie dla badania praw rządzących fizyką kwantową powstał m.in. słynny Wielki Zderzacz Hadronów.

Chodzi o to, żeby kontrolować przyrodę

Badania naukowców miały doprowadzić do umiejętności złapania pojedynczych atomów lub fotonów i ustawienia ich w stanie kwantowym, tak jak sobie tego zażyczymy. W skrócie: - Chodzi o to, żeby mieć pełną kontrolę nad przyrodą - uśmiecha się dr Rafał Demkowicz-Dobrzański z Wydziału Fizyki UW.

Nagrody niejako się uzupełniają. Badacze robili w zasadzie to samo, tylko z dwóch stron problemu. Haroche dostał nagrodę za to, że potrafił łapać fotony, trzymać je pułapce i kontrolować, 'rozmawiać z nimi' wysyłając na nie atomy. Wineland - bo potrafił spułapkować (skupić na małym obszarze) atomy, a potem je oświetlał (światło składa się z fotonów).

Nobel 2012 - John Gurdon i Shinya Yamanaka nagrodzeni za badania nad komórkami macierzystymi >>

Włącz wyobraźnię - atomy w kilku miejscach jednocześnie

Po co nam taka kontrola? - To jest droga ku komputerom kwantowym - tłumaczy w TOK FM prof. Krzysztof Meissner. - Chodzi o sposób radzenia sobie z bardzo złożonymi obliczeniami za pomocą badania stanu mikrocząstek, które są w odpowiednim stanie kwantowym. W ten sposób można ominąć ograniczenia wynikające z sekwencyjnego działania tradycyjnych komputerów - mówi fizyk.

Kluczowe dla sprawy jest to, że stany kwantowe są bardzo dziwne. I tu dochodzimy do wyjątkowości fizyki kwantowej, wymagającej sporej wyobraźni. - Atom może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Albo foton może lecieć w jedną i drugą stronę jednocześnie. Należy to traktować dosłownie - mówi dr Demkowicz-Dobrzański.

Mnóstwo obliczeń jednocześnie

Rzecz w tym, aby te dziwne zachowania wykorzystać. - Dane można sprytnie zapisać w stanach kwantowych atomów. Tak, że dany stan będzie reprezentacją jednej liczby. Coś podobnego do bitów - tłumaczy dr Demkowicz-Dobrzański. Komputery klasyczne wszystkie operacje wykonują po kolei: pobierają dane z pamięci, przetwarzają, zapisują itd. Cała sztuczka polega na tym, że atomy mogą być w kilku stanach jednocześnie . - Czyli reprezentować kilka liczb naraz. Wtedy nasz komputer otrzymuje jednocześnie wiele danych i może wykonywać jednocześnie wiele obliczeń - opowiada dr Demkowicz-Dobrzański. To oznaczałoby dramatyczne przyspieszenie obliczeń

Co stoi na przeszkodzie?

Na przeszkodzie takim obliczeniom stoi niestabilność stanów kwantowych. Wyobraźmy sobie pudełko, w którym ułożone są cząstki elementarne, jak protony, elektrony, fotony. Kłopot polega na tym, że ułożony przez nas stan tych cząstek bardzo szybko ulega tzw. dekoherencji. - Czyli traci wiadomość o fazie. Przestaje 'pamiętać', niszczy się. Przestaje pamiętać o swoich poszczególnych składnikach, które chcielibyśmy trzymać nienaruszone, żeby wykonać na nich operację i z powrotem zmierzyć - tłumaczy fizyk. - Po prostu staje się bezużyteczny dla obliczeń - mówi. Dlaczego tak się dzieje? Cząstki zwyczajnie oddziaływają między sobą i między 'pudełkiem'.

Cały problem w delikatności stanów kwantowych

Serge Haroche chciał ten problem ominąć. Badał jak ograniczyć zjawisko dekoherencji, czyli jak najdłużej utrzymać stan kwantowy nienaruszony.

Jest jeszcze drugi problem - sprawa odczytania stanu. - Jest takie twierdzenie w mechanice kwantowej: żeby odczytać stan, to trzeba go zniszczyć. Niszczymy stan, ale inny obiekt ten stan przejmuje - tłumaczy Meissner. - Natomiast oni wymyślili sposób, by poprzez superpozycję atomów i światła odczytać ten stan, niszcząc go jedynie w minimalny sposób - mówi fizyk.

Jeśli więc jesteśmy w stanie odczytywać stan, bez nadmiernej ingerencji, możemy na nim wykonać następną i następną operację.

Komputery kwantowe będą siały spustoszenie

- To jest oczywiście melodia przyszłości, bo na razie kwantowo obliczamy zadania na poziomie 2+2. Ale potencjalnie może to umożliwić rozwiązanie problemów, które dziś nawet sobie trudno wyobrazić - przewiduje prof. Meissner. A już na pewno trudno sobie wyobrazić, żeby zostały rozwiązane dzięki - nawet najszybszym - tradycyjnym komputerom.

- Obecnie możemy kontrolować 15 atomów. Aby móc wykonywać operacje szybciej niż tradycyjny komputer, potrzebujemy mieć kontrolę nad co najmniej tysiącem atomów. To wyzwanie technologiczne - tłumaczy dr Demkowicz-Dobrzański. - Do tej pory drepczemy w miejscu, ale gdyby to się udało, komputery kwantowe poczyniłyby spustoszenia. Byłyby w stanie złamać najczęściej dziś stosowane bariery kryptograficzne. Musielibyśmy wszyscy przejść do szyfrowania kwantowego, tzw. kryptografii kwantowej - przewiduje dr Demkowicz.

W ramach Siódmego Programu Ramowego Unii Europejskiej w badania zaangażowany jest między innymi Uniwersytet Warszawski. - Projekt SIQS (Simulators and Interfaces with Quantum Systems) dotyczy technologii związanych z atomami i fotonami, z tzw. kwantową inżynierią. Jednym z uczestników projektu jest Haroche. Możemy być z tego dumni - cieszy się fizyk.