Kvantni svijet budućnosti
Kvantni svijet budućnosti
Nejasna svojstva subatomskog svijeta mogla bi voditi prema generaciji praktične kvantne tehnologije, govore Hugo Cable i Kavan Modi.
„Fizika bi trebala predstavljati realnost unutar vremena i prostora,“ napisao je Albert Einstein 1947., te time objasnio zašto nije vjerovao u nepredvidiva ponašanja kvantnog svijeta. Danas, ne samo da znamo kako ta ponašanja postoje, nego fizičari vjeruju kako se ona mogu iskoristiti za gradnju kvantnih računala, senzora i kriptografskih sustava koji daleko nadmašuju današnju tehnologiju.
To je teorija. U praksi, kvantni uređaji izuzetno su složeni jer moraju raditi u uvjetima u kojima ne postoji šum. No što ako možemo napraviti ‘bučni’ kvantni uređaj? Ovo je možda moguće, zahvaljujući neprimjetnom svojstvu kvantnog svijeta nazvanim ‘razdor‘ (eng. discord; ukoliko netko ima stručno prihvaćen prijevod molim da mi javi, jer ja ga ja nisam uspio pronaći pa ćemo u daljnjem tekstu koristiti ‘razdor’).
Mikroskopski svijet fotona, elektrona i atoma je veoma različiti od svijeta kojega vidimo svakoga dana. Mnoga čudna pravila primjenjuju se u kvantnom svijetu, kao npr. superpozicija , gdje čestice mogu postojati na dva mjesta istodobno, ili istovremeno se kretati u smjeru kazaljke na satu i suprotno od nje. Samo promatranje čestice je čin koji fiksira jedno stanje i čini ga nama vidljivim.
80-ih i 90-ih godina prošlog stoljeća, fizičari kao što su Richard Feynman, David Deutsch i Peter Shor pokazali su kako uređaji koji koriste kvantno ponašanje mogu izvesti određene kalkulacije mnogo brže od bilo kojeg digitalnog računala koji obrađuje podatke kroz ‘uključi/isključi’ ili ‘0/1’ električne signale. Kvantna računala koriste drugačiji pristup, informacije su u formi kvantnih bitova ili kubitova, a 0 i 1 postoje u stanju superpozicije. Kvantni bitovi mogu dijeliti svojstva koja su jedinstvena za kvantni svijet (tzv. ‘kvantno sprezanje’), pri kojima dvije kvantne čestice postaju neraskidivo povezane bez obzira koliko su udaljene. S ovime možemo kreirati ogromne kapacitete za obradu podataka koji bi današnja računala učinili dijelom povijesti.
Ipak, kontrolirati tzv. sprezanje je veoma frustrirajuće. Sudari s molekulama zraka, zalutali elektromagnetski signali, vrućina i mnogi drugi čimbenici stvaraju šum, koji rapidno smanjuje kvantna svojstva. Kvantni algoritam koji reducira šum može sačuvati pogodna svojstva dovoljno dugo da dođe do točnih rezultata, ali za sada niti jedno kvantno računalo nije sagrađeno da bi moglo koristiti mnogo kvantnih bitova.
Mogućnost postojanja svojstva razdora prvi puta je otkrivena početkom 21. stoljeća od strane tri neovisne grupe koje su radile u Velikoj Britaniji, SAD-u i Poljskoj. Oni su shvatili kako kvantna svojstva ne rade po jednostavnom ‘uključi/isključi’ principu, stoga sustav može biti u potpunosti kvantni. Sustav također može biti i djelomično kvantni, tako da mu nedostaju svojstva sprezanja, ali posjeduje ostala svojstva kvantne teorije.
Godinama, svojstvo razdora bilo je zanemarivano. Ono je bila samo matematički entitet čija praktična važnost nije bila razjašnjena. Do sličnih problema došlo je prilikom pokušaja razumijevanja svojstva sprezanja 90-ih godina prošlog stoljeća.
Kakogod, interes za svojstvo razdora počeo je rasti prije pet godina kada su znanstvenici shvatili kako ovakav način može dodatno povećati kvantnu snagu sustava čak i kada sprezanje nije uključeno u proces. Prije toga se pretpostavljalo kako je sprezanje nužno potrebno za napredak.
Ključni dio razvoja došao je 2008. Kada su istraživači sa Sveučilišta New Mexico pogledali pojednostavljeni model kvantnog računala nazvanog DQC1. Primijetili su da računala nastavljaju efikasno raditi ukoliko dodamo više kvantnih bitova čak i ako je broj unosa eksponencijalno porastao (ovakav porast nemoguće je ostvariti uz pomoć digitalnih računala). Zanimljivo, ovaj veliki napredak ostvaren je bez velikog povećanja kvantnog sprezanja.
Nevjerojatno, ali DQC1 model radi koristeći samo jedan kvantni bit koji je u potpunosti zaštićen od šuma, dok svi ostali kubitovi ostaju bez zaštite. To nam pokazuje kako mnogo šuma može raditi uz samo malo čistog signala.
Hugo Cable i Kavan Modi pokazali su kako svojstvo razdor ima važnu ulogu kod kvantnih senzora – što nam daje potencijalni način da uz korištenje manje energije pojačamo preciznost senzora. Također su pokazali kako u određenim tipovima kvantnih senzora, gdje kvantno sprezanje nije zaštićeno od utjecaja okoline,porast kvantne snage je moguć uz pomoć tehnika koje iskorištavaju svojstva razdora.
Unatoč svemu, razdor je kontroverzno svojstvo i neki istraživači su skeptični po pitanju njegovog značaja. Postoji kritična slabost prilikom izvođenja eksperimenata s ovim svojstvom. Iako eksperimenti pokazuju njegovo postojanje u velikim količinama, oni ne otkrivaju njegovu direktnu ulogu u kvantnom sprezanju. Postojanje razdora moglo bi biti slučajno.
No, ovakva mišljenja sve više se mijenjaju. Jedno od najznačajnijih otkrića prošle godine na ovom području pripisuje se timovima vođenom od strane Mile Gu (Cemter for Quantum Technologies) i Ping Koy Lama (Australian National University in Canberra) koji su pokazali poveznicu između kvantne snage i razdora (Nature Physics, vol 8, str. 671).
Neki novi znanstveni radovi pokazuju povijesni značaj ovoga svojstva, tako da je moguće kako razdor nije nov koncept. U 1935., Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen objavili su dobro znani ERP paradoks, misaoni eksperiment koji navodi nepotpunosti kvantne teorije. Ustvari, to je bio odgovor na znanstveni rad u kojemu je Erwin Schrodinger prvi puta uporabio izraz kvantno sprezanje. Fizičar Niels Bohr također je objavio odgovor na navedeni rad. Cable i Modi tvrde kako se odgovori mogu protumačiti kao izjave o razdoru.
Oni tvrde kako bi svojstvo razdora moglo imati glavu ulogu u razumijevanju prijelaza iz kvantnog u klasični svijet. U svakom slučaju, u bliskoj budućnosti možemo očekivati mnogobrojne novosti na ovom području.
Izvori/dodatno čitanje
Hugo Cable, Kavan Modi – Brave new quantum world, The Big Idea, studeni 2013.
