Tajemnica subatomowego świata a komputery kwantowe Jak ujarzmić przyczynowość?
Cząstki subatomowego świata są postrzegane raczej jako funkcje falowe opisujące prawdopodobieństwo występowania cząstki w danym miejscu. Niestety, niezerowe jest też prawdopodobieństwo występowania cząstki jednocześnie w innym miejscu. Tej dziwacznej cechy kwantowego świata bardzo nie lubił Albert Einstein. Razem z Borisem Podolskym i Nathanem Rosenem z niechęcią pisał o paradoksach, do których prowadzi splątanie kwantowe, oddziałujące natychmiastowo, niezależnie od odległości dzielącej cząstki.
Panowie EPR (powstał też termin "paradoks EPR") wykorzystali korelację pomiędzy oddzielnymi pomiarami, aby uznać mechanikę kwantową za niekompletną, a wyniki pomiarów, o których mechanika kwantowa mówi, że są nieokreślone, w rzeczywistości określane z góry, ale po prostu ukryte (tzw. ukryte zmienne).
Przez dekady fizycy, przeprowadzając kolejne eksperymenty potwierdzające nielokalność kwantową, w nieubłagany sposób musieli się jednak godzić z tym, z czym nie chciał się pogodzić Einstein. Oczywiście wcale nie znaczy to, że dobrze pojęli, co tak naprawdę "dzieje się" w subatomowym świecie. A bez pełnego zrozumienia fizycznego podłoża zjawisk trudno mówić o praktycznym zastosowaniu tych zjawisk, czyli np. o komputerach kwantowych.
Uczeni wiedzą, że obliczenia kwantowe mogą być (i są) symulowane na potężnych maszynach konwencjonalnych. W dodatku w eksperymentach tych na razie nie widać jakieś zasadniczej przewagi systemów kwantowych.
- Aby zobaczyć przewagę maszyn kwantowych nad klasycznymi, musimy znaleźć sposób na identyfikację właściwego stanu systemu kwantowego - mówi w marcowym "NewScientist" Angela Karanjai, fizyk z Uniwersytetu w Sydney.
Fundamentalną właściwością układów kwantowych jest tzw. kontekstualność, która uniemożliwia rozumowanie oparte na przyczynowości, do jakiej jesteśmy przyzwyczajeni. Zdaniem niektórych uczonych możliwe jest jednak zdefiniowanie uogólnionej, czasowo symetrycznej przyczynowości kwantowej na podstawie uogólnionych pomiarów i termodynamiki historii kwantowych. Zwolennicy tego poglądu uważają, że da się w tym podejściu uniknąć paradoksów, "ukrytych zmiennych" i zachować zgodność z teorią względności.
Rozwiązanie problemu przyczynowości w kontekstualności stwarza szansę na budowę skutecznych i użytecznych komputerów kwantowych. Przekonany jest o tym Mark Howard z Narodowego Uniwersytetu Irlandii, który wraz ze swoim zespołem dąży do zbudowania praktycznego kwantowego układu obliczeniowego. W swoich pracach pisze, że udało mu się z kolegami uzyskać "stan magiczny" układu kwantowego, który zdaje się być najlepszym znanym obecnie modelem eksperymentalnej realizacji odpornego na błędy komputera kwantowego.
Do tej pory panował w tej dziedzinie sceptycyzm. W grudniu 2015 r. fizycy z University College London w Wielkiej Brytanii opublikowali w "Nature" wyniki swoich badań, z których wynikało, że niezależnie od tego, jak doskonale możemy matematycznie opisać materiał na poziomie mikroskopowym, nigdy nie będziemy w stanie przewidzieć jego makroskopowego zachowania. Badali oni pasma zabronione w materiałach nadprzewodzących i okazało się, że dokładne przewidzenie i modelowanie zachowań elektronów, którymi rządzi mechanika kwantowa, jest niemożliwe.
Komputery, jakie znamy, to urządzenia deterministyczne. Zarówno hardware, jak i software opierają się na zasadzie przyczyny i wynikającego z niej nieuchronnie skutku. Pętle programistyczne brzmią jasno - "jeśli A, to B" itd. Zatem w naszym pojęciu komputer nie może działać losowo, a niestety, z wielu eksperymentów fizyki kwantowej wynika, że taka jest natura subatomowego świata. Dopóki nie uporamy się z deterministyczną kontrolą tych układów, to wydajny, działający tak jak chcemy i użyteczny komputer kwantowy chyba nie powstanie.
Mirosław Usidus
