Povjerenje u znanost za razumijevanje svijeta

Ove godine Nobel za fiziku dodijeljen je Alainu Aspectu, Johnu F. Clauseru i Antonu Zeilingeru za eksperimente s kvantno isprepletenim fotonima, utvrđivanje povrede Bellovih nejednakosti i začetke kvantne informacijske znanosti. Isprepletenost je u srcu kvantne fizike, a otkriva se na vrlo malim, subatomskim udaljenostima. Kada se dvije čestice, kao što je par fotona ili elektrona, isprepleću, one ostaju povezane čak i kada su razdvojene golemim udaljenostima. Na isti način na koji balet ili tango nastaju iz pojedinačnih plesača, isprepletenost nastaje iz veze među česticama i ne može se objasniti svojstvima samo jedne čestice. Slično kao kad znamo sve o ciglama, od čega se rade, kako se proizvode, ali nam to znanje nije dovoljno da bismo napravili kuću. Ili korak dalje, kad znamo sve o tome kako se rade kuće, ali ništa o tome kako napraviti dobro mjesto ili gradić u kojem će mladi i stari htjeti živjeti. Jednako tako naš izbornik Dalić mora uzeti u obzir interakciju među igračima kad slaže momčad za svjetsko prvenstvo jer kvalitete pojedinih igrača često nisu dovoljne da bi momčad dobro funkcionirala.

Izvor Pixabay

Svojstvo isprepletenosti čestica ne postoji u klasičnoj fizici i odudara od naše intuicije. Kada su dvije čestice u isprepletenim kvantnim stanjima, netko tko mjeri svojstvo jedne čestice može odmah odrediti rezultat ekvivalentnog mjerenja na drugoj čestici, bez potrebe za provjerom. Einstein je to zvao sablasno djelovanje na daljinu.

Na prvi pogled to možda i nije tako čudno. Ako razmišljamo o loptama umjesto o česticama, zamislite eksperiment u kojem se crna kuglica šalje u jednom smjeru, a bijela kuglica u suprotnom. Promatrač koji uhvati loptu i vidi da je bijela može odmah reći da je lopta koja je putovala u drugom smjeru crna. Ono što kvantnu mehaniku čini tako posebnom je to što njezini ekvivalenti lopti nemaju određeno stanje (boju) dok se ne izmjere. Kao kod Schroedingerove mačke zatvorene u kutiji s otrovom kod koje ne znate dok ne otvorite kutiju je li mačka živa ili mrtva. U slučaju lopti kao da su obje sive, sve dok netko ne pogleda jednu od njih. Nakon tog gledanja (mjerenja) druga kuglica odmah dobiva suprotnu boju. Pitanje je kako je moguće znati da kuglice nisu imale zadanu boju na početku? Čak ako su izgledale sive, možda su unutra imale skrivenu oznaku koja je govorila koju boju trebaju promijeniti.

Eksperiment Alaina Aspecta i suradnika iz 1981. pokazao je da se priroda ponaša onako kako predviđa kvantna mehanika (povreda Bellovih nejednakosti). Kuglice su sive, bez tajnih podataka, a slučajnost određuje što postaje crno, a što postaje bijelo u eksperimentu.

Zapletena kvantna stanja sadrže potencijal za nove načine pohranjivanja, prijenosa i obrade informacija. Zanimljive se stvari događaju ako čestice u zapletenom paru putuju u suprotnim smjerovima i jedna od njih tada susreće treću česticu na takav način da se zapletu. One tada ulaze u novo zajedničko stanje. Treća čestica gubi identitet, njezina izvorna svojstva sada su izgubljena i prenesena na solo česticu iz izvornog para. Taj način prijenosa nepoznatog kvantnog stanja s jedne čestice na drugu naziva se kvantna teleportacija. Eksperimentalno su to prvi put dokazali 1997. Anton Zeilinger i njegova grupa. Daleko je to od teleportacije koju gledamo u SF-filmovima ili one IKEA-teleportacije kad pokućstvo u dijelovima sastavimo od uz pomoć uputa. Zanimljivo je da je kvantna teleportacija jedini način prijenosa kvantne informacije iz jednog sustava u drugi bez gubitka bilo kojeg dijela. Apsolutno je nemoguće izmjeriti sva svojstva kvantnog sustava i zatim poslati informaciju primatelju koji želi rekonstruirati sustav. To je zato što kvantni sustav može sadržavati nekoliko verzija svakog svojstva istovremeno, pri čemu svaka verzija ima određenu vjerojatnost da će se pojaviti tijekom mjerenja. Čim se obave mjerenja, ostaje samo jedna verzija, naime ona koju je očitalo mjerenje instrumenta. Ostale su informacije nestale i nemoguće je ikada išta saznati o njima.

Sposobnost manipuliranja i upravljanja kvantnim stanjima i svim njihovim slojevima svojstava daje nam pristup alatima s neočekivanim potencijalom. Ovo je osnova za kvantno računanje, prijenos i pohranjivanje kvantnih informacija te algoritama za kvantnu enkripciju.

Isprepletena kvantna stanja dokazana su između fotona koji su poslani kroz desetak kilometara optičkih kabela te između satelita i stanice na zemlji.

Prva kvantna revolucija dala nam je tranzistore i lasere, ali sada ulazimo u novu eru zahvaljujući suvremenim alatima za manipuliranje sustava zapletenih čestica.

Primijetili ste već da je ovo teža tema, ali to ne znači da je treba izbjegavati. Premijer Kanade Justin Trudeau, inače po struci nastavnik umjetnosti, na novinarsko je pitanje o kvantnim kompjuterima znao objasniti razliku između običnih i kvantnih računala. Bilo bi dobro da što više naših stanovnika na osnovnoj razini razumije tu razliku jer to povećava povjerenje u znanost, koje je prema zadnjim anketama u Hrvatskoj na oko petnaest posto. Povjerenje u znanost i obrazovanje pomaže nam da gospodarstvo i državu gradimo na zdravim temeljima, gdje naprijed idu oni koji znaju, a ne oni koje netko zna.