Nauka

Dziwność dla zuchwałych

Fizyka rzeczy niemożliwych

Stół laserowy służący do badania elementarnych właściwości mikroświata. Stół laserowy służący do badania elementarnych właściwości mikroświata. Karol Jałochowski / Polityka
W Singapurze przy Science Drive 2 powstał ośrodek badań najskrytszych tajemnic przyrody. Przyciąga ekscentrycznych i zdolnych młodych fizyków – również Polaków.

wideo

Podkast

Letnia noc, upalna jak wszystkie, również te grudniowe, noce w leżącym tuż nad równikiem Singapurze. W jednej z niezliczonych knajp kryptolog polskiego pochodzenia, kawaler Merton College w Oksfordzie, Artur Ekert (pisaliśmy o nim w POLITYCE 27), krajowiec Kwek Leong Chuan, Brytyjczyk Hugo Cable, Brazylijczyk Marcelo Franca Santos i Szwed Björn Hessmo opróżniają kolejny dzban lokalnego piwa. Usiłują dostrzec na telebimie elementy taktyki w nieskładnej kopaninie uprawianej gdzieś na drugim końcu świata. Hessmo mówi: – Mój ojciec chciał zawsze, żebym został piłkarzem. A ja tak się stoczyłem. Jego słowa zostają przyjęte ze zrozumieniem. Na ekranie nuda. Dopiero kiedy wyświetlona zostaje tabela punktacji po serii pierwszych meczów turnieju, panowie, sami fizycy, nagle radośnie się ożywiają: zera i jedynki! Jedynki i zera – to ich chleb powszedni.

Jak widać, zamiłowanie do fizyki to przypadłość, której nie zdoła zapobiec najlepsza nawet rodzina. Szczęśliwie jest na świecie kilka ośrodków, które korzystają z objawów tej przypadłości – ku chwale nauki. Wśród nich jest nowo powstałe Centre for Quantum Technologies (CQT), skupiające się na badaniach podstawowych. To prawdziwa osobliwość w technokratycznym, zorientowanym na szybki przekład wiedzy na zastosowania Singapurze – i symbol nowej strategii rozwoju tego 4,6-milionowego państwa miasta.

Zbawienna bezczelność

Prehistorię CQT stanowią nieformalne spotkania grupy kilku naukowców, którzy po godzinach dyskutowali o związkach między zjawiskami kwantowymi a procesami obliczeniowymi. Był wśród nich wspomniany Kwek, potem dołączył błyskotliwy młody polski fizyk Dagomir Kaszlikowski, który tuż po obronie doktoratu na Uniwersytecie Gdańskim ruszył w świat. Padały wyparte ze świadomości większości fizyków pytania o to, dlaczego mechanika kwantowa jest dziwna, co to na przykład właściwie znaczy, że aż do chwili pomiaru mikroobiekty znajdują się w wielu miejscach jednocześnie; na czym polega kwantowe splątanie, które wiąże dwie cząstki tak bardzo, że niezależnie od tego, jaka odległość je dzieli, zachowują się tak, jak gdyby tworzyły jedną całość. Do interpretacji tych zjawisk używano metod nauk o przetwarzaniu informacji. Myślano tak: może przyrodę łatwiej będzie zrozumieć, jeśli się założy, że jest ona rodzajem procesu obliczeniowego, podczas którego fotony, elektrony, atomy i cząstki wymieniają między sobą bity informacji. Słowem – podjęto nieskromny wysiłek odkrycia mechaniki kwantowej na nowo.

Grupa rosła, aż dwa lata temu sformalizowano jej działalność, uruchamiając zasilone blisko 100 mln dol. (amerykańskich) CQT, którego szefem został Artur Ekert. Dlaczego podjął wyzwanie? – Łatwo robić naukę w miejscach takich jak Oksford, Massachusetts Institute of Technology, California Institute of Technology, ale tu, gdzie wszystko trzeba stworzyć od podstaw, możemy coś realnie zmienić.

Szukając ludzi, Ekert musiał zdecydować, czy stawiać na doświadczonych, czy na młodych, bezczelnych, ambitnych. – Ściągnąłem najlepszych doktorantów w branży. Tych, którzy chcą jeszcze coś udowodnić i nie myślą wyłącznie o patentach – opowiada. Dziś singapurskie centrum zatrudnia 90 uczonych z 24 krajów, utrzymuje dziesiątki stypendystów i rozległą sieć współpracowników. Ekert skompletował jedną z najbardziej oryginalnych naukowych drużyn w branży: – Nie obawiam się przyciągać dziwacznych, nierzadko trudnych w obejściu ludzi. Naukowcy nie mają być milusi, mają być kreatywni!

Łapanie za rogi

Dagomira Kaszlikowskiego Ekert nie musiał przyciągać – był na miejscu i spełniał powyższe kryteria. Wraz z Włochem Valerio Scaranim, Andreasem Winterem, Marcinem Pawłowskim, Tomaszem Paterkiem i Markiem Żukowskim jest autorem słynnej publikacji w prestiżowym „Nature”, które uczyniło dla niej wyjątek – zwykle bowiem tygodnik ten nie akceptuje prac teoretycznych. Choć Kaszlikowski prowokacyjnie głosi, iż jest nihilistą (w sensie poznawczym), proponuje z kolegami zasadę porządkującą nieintuicyjny świat mechaniki kwantowej. – Doskonale by było mieć w mechanice kwantowej coś takiego jak nieprzekraczalna prędkość światła w teorii względności – mówią Tomasz Paterek i Paweł Kurzyński (stypendyści CQT). Pewną prostą naczelną zasadę, z której wynikają pozostałe prawa. – Teorie Einsteina i Newtona są piękne – opowiada Kaszlikowski. – Natomiast mechanika kwantowa – nie. Obcowanie z nią jest źródłem problemów estetycznych.

Zasada tzw. przyczynowości informacyjnej autorstwa Kaszlikowskiego, Paterka i innych, nakładająca proste ograniczenie na przepływ bitów we Wszechświecie, może ten stan zmienić. Panowie mają nadzieję, że złapali byka za rogi, że ich zasada pomoże m.in. określić granicę, gdzie (i dlaczego) kończy się świat kwantowy, a zaczyna klasyczny.

Nowych teorii szuka się nieco po omacku, bo mechanika kwantowa, choć osobliwa, nie zawodzi w sposób spektakularny. Fizycy czekają więc na przełom, a ten może wydarzyć się tylko w laboratorium. – Ktoś zrobi wreszcie eksperyment, którego wynik okaże się sprzeczny z naszą dotychczasową wiedzą – mówi Kaszlikowski. – To właśnie jest najlepsze w tych czasach – dodaje Paterek. – Każdego dnia czekam na rewolucję!

Podobnego zdania jest Valerio Scarani, o którym w CQT mówi się (za jego przyzwoleniem i ku niejakiej satysfakcji): człowiek, który lubi niszczyć zgrabne twierdzenia. Scarani nie narzeka na nudę. Kiedy – jak dziś – cała fizyka przechodzi przesilenie, chwytliwe hipotezy występują w ilościach hurtowych, co dotyczy również teorii kwantowej informacji. – To nie kryzys, ale na pewno nasza dziedzina badań osiągnęła wiek dojrzały – orzeka Scarani. – Również i moje pierwsze publikacje, które wydawały się odkrywcze, można dziś streścić w dwóch linijkach. Rzeczy się skomplikowały.

Na przykład wielce użyteczna z punktu widzenia propagandowego i promocyjnego idea komputera kwantowego, hipotetycznej, potężnej maszyny obliczeniowej, która dziwność mechaniki kwantowej miałaby wykorzystywać do rozwiązywania problemów niedostępnych dla klasycznych komputerów, okazuje się coraz bardziej zagadkowa: nie wiadomo, z czym sobie poradzi, kiedy już powstanie, a z czym nie; ba – nie wiadomo nawet, czy w ogóle kiedykolwiek powstanie. – To otwarty problem – przyznaje Scarani. I cel intensywnych badań w Singapurze.

Nowozelandczyk Murray Barrett i Amerykanin Kyle Arnold, szybkostrzelni w mowie i czynie panowie, sprawiają wrażenie, jakby przed wejściem do laboratorium zostawili deskorolki, a zajmują się arcywyrafinowaną sztuką chwytania atomów i jonów w mikroskopijne pułapki utworzone z pola magnetycznego oraz przeciwbieżnych promieni lasera. Od roku produkują tzw. kondensat Bosego-Einsteina (tą umiejętnością mogą się pochwalić tylko najlepsze laboratoria na świecie), dziwny – a jakże – stan kwantowy, w którym schłodzone do milionowej części stopnia Kelvina (tuż ponad -273,15 st. C) atomy tracą swoje indywidualne cechy. Panowie wkrótce pójdą za ciosem, sprawdzając inne własności kondensatu – w kontekście kwantowej teorii informacji.

Obszar kreacji

W sąsiednim laboratorium sprzęt rozstawia Kai Dieckmann, rzutki, ambitny młody Niemiec, który do Singapuru przybył z Monachium, zwabiony gwarancją wolności twórczej oraz nieco zniechęcony, jak przyznaje, specyfiką bawarskiej mentalności. Dieckmann, choć innymi metodami niż Barrett i Arnold, dąży do podobnego celu – pełnej kontroli nad materią. Miesza rozmaite gatunki gazów (fermionowe i bozonowe), chwyta je w sieć optyczną (jak jajka w foremkę), a wkrótce zacznie prowokować je do wzajemnych oddziaływań. Używając prostych systemów będzie symulował te bardziej złożone, występujące w przyrodzie, których ze względu na stopień złożoności nie sposób przeanalizować ani w analityczny, ani numeryczny sposób. Mówiąc krótko: Dieckmann konstruuje wielozadaniowy symulator kwantowy.

Kwek Leong Chuan, najbardziej doświadczony teoretyk w CQT, kolekcjoner pluszowych misiów (największego z nich dostał od Ekerta, który uratował go przed wysypiskiem), opowiada, że podobne symulatory mogą przyczynić się do odkrycia np. na wpół mitycznych, od dawna poszukiwanych przez fizyków monopoli magnetycznych (cząstek o jednym tylko biegunie). Przed Niemcem jeszcze rok, dwa przygotowań. A potem? – Techniczne ograniczenia wyznaczają warunki brzegowe, ale między nimi masz obszar fantastycznej swobody kreacji – opowiada Dieckmann.

Radość, którą Dieckman musi zwerbalizować, Christian Kurtsiefer, szef grupy zajmującej się optyką kwantową, wyraża samym swym wiosennym obliczem. On, Valerio Scarani, i pochodząca z Hiszpanii Antia Lamas-Linares to ojcowie (i matka) założyciele doświadczalnej frakcji CQT. W światku kryptologów (POLITYKA 27) Kurtsiefer znany jest jako wybitny konstruktor kwantowych systemów do przesyłania kluczy kryptograficznych. – Brzmi to bardzo zabawnie, ale wierz mi, nie jest bardziej skomplikowane niż odtwarzacz CD – przekonuje. Kurtsiefer bardziej chyba kojarzony jest z tym, że udowodnił doświadczalnie, iż wbrew temu, co powszechnie sądzono, kwantowe systemy kryptograficzne nie są stuprocentowo bezpieczne. – Na skutek wrodzonych, nieuniknionych niedoskonałości sprzętu informacje z nich, mówiąc obrazowo, wyciekają – tłumaczy Niemiec. A wraz z nimi – klucz do szyfru.

Teraz Kurtsiefer bada, jak można kontrolować interakcje między pojedynczymi atomami a fotonami, które mogą być nośnikami informacji (po mistrzowsku chwyta schłodzone uprzednio, powolne atomy w laserowe szczypczyki, karmi fotonami i rejestruje reakcje). Taki mały układ, jeśli będzie działał efektywnie, może posłużyć jako klocek do budowy większych układów obliczeniowych. Kto wie – może nawet komputerów kwantowych? Jeśli ktoś z marudnych teoretyków z wyższych pięter CQT nie wykaże, że to niemożliwe.

Kwestia dzielności

Jak budzić w ludziach oryginalność, która wydaje się kluczem do dziwnego świata mechaniki kwantowej? Jak ich prowokować, żeby kwestionowali opinie własnych nauczycieli? To szczególne wyzwanie w Azji, gdzie na mentalności mocny stempel wybił konfucjanizm (młode pokolenia są podobno coraz śmielsze), ale niełatwe również na wygodnickim, etatystycznym Zachodzie. – Pytam ludzi, co chcieliby zrobić, gdyby wiedzieli, że zostało im tylko pięć lat życia – opowiada Ekert. – I wiesz co? Boją się. W Singapurze lękają się jakby nieco mniej. Może dlatego, że niepisane zasady CQT brzmią: żadnego mikrozarządzania (czyli kontrolowania przez szefa detali pracy poszczególnych zespołów), żadnych tytułów naukowych. – Tu nie trzeba się wstydzić, bo wiadomo, że na dziesięć pomysłów dziewięć to kompletny szajs – mówi Elisabeth Rieper, doktorantka z Niemiec. – Ale ten jeden – to może być bomba.

Pod opieką Vlatko Vedrala Rieper para się nieokrzepłą jeszcze dziedziną zwaną kwantową biologią (wkrótce o niej napiszemy), która zakłada, że za niebywałą efektywnością niektórych procesów biologicznych stoją subtelne zjawiska kwantowe. Być może właśnie dlatego molekuły DNA są stabilne, fotosynteza niezwykle wydajna energetycznie, a zmysł nawigacji, którym posługują się wędrowne ptaki, czuły na odchylenia kierunku magnetycznego o nawet tysięczną część stopnia. Tą ostatnią zagadką zajmuje się Rieper: – W dzieciństwie czytałam książki i o mechanice kwantowej, i o biologii, i myślałam, jak wspaniale by było, gdyby te nauki połączyć. Teraz realizuję swoje marzenia! Czy może być lepiej?

Sceptycy (wśród nich, a jakże, Scarani) ostrzegają, że ta niezwykle bystra dziewczyna złamie sobie karierę, poświęcając się czemuś, co trudno nawet solidnie zdefiniować, ale Rieper jest niewzruszona: – Musisz podejmować ryzyko! Musisz być dzielny.

 

 

Polityka 41.2010 (2777) z dnia 09.10.2010; Nauka; s. 85
Oryginalny tytuł tekstu: "Dziwność dla zuchwałych"
Więcej na ten temat
Reklama

Codzienny newsletter „Polityki”. Tylko ważne tematy

Na podany adres wysłaliśmy wiadomość potwierdzającą.
By dokończyć proces sprawdź swoją skrzynkę pocztową i kliknij zawarty w niej link.

Informacja o RODO

Polityka RODO

  • Informujemy, że administratorem danych osobowych jest Polityka Sp. z o.o. SKA z siedzibą w Warszawie 02-309, przy ul. Słupeckiej 6. Przetwarzamy Twoje dane w celu wysyłki newslettera (podstawa przetwarzania danych to konieczność przetwarzania danych w celu realizacji umowy).
  • Twoje dane będą przetwarzane do chwili ew. rezygnacji z otrzymywania newslettera, a po tym czasie mogą być przetwarzane przez okres przedawnienia ewentualnych roszczeń.
  • Podanie przez Ciebie danych jest dobrowolne, ale konieczne do tego, żeby zamówić nasz newsletter.
  • Masz prawo do żądania dostępu do swoich danych osobowych, ich sprostowania, usunięcia lub ograniczenia przetwarzania, a także prawo wniesienia sprzeciwu wobec przetwarzania, a także prawo do przenoszenia swoich danych oraz wniesienia skargi do organu nadzorczego.

Czytaj także

Społeczeństwo

Homofobusy jeżdżą po polskich miastach. Szokują i wykluczają

Homofobusy rozpowszechniają nieprawdziwe informacje na temat osób LGBT. To akcja Fundacji Pro-Prawo do Życia, która wbrew nazwie odmawia osobom nieheteroseksualnym prawa do wolnego od dyskryminacji życia w Polsce.

Agata Szczerbiak
17.07.2020
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną