Daniel Garisto: Mali korak za veliku dobrobit čovječanstva
Kvantni fizičari Jonathan Dowling i Gerard Milburn skovali su termin "kvantna revolucija" u radu iz 2002. godine. U njemu tvrde da smo ušli u novo doba, drugu kvantnu revoluciju. "Tek mi je sinulo da se zapravo otvara potpuno nova tehnološka granica", kaže Milburn, profesor emeritus na Sveučilištu Queensland. O toj temi piše Daniel Garisto, čiji prilog The second quantum revolution, objavljen u Symmetry Magazine, prenosimo uz neznatno skraćenje i prilagodbu u opremi.
Pozornica za drugu kvantnu revoluciju postavljena je 1960-ih, kada je sjevernoirski fizičar John Stewart Bell uzdrmao temelje kvantne mehanike. Bell je pretpostavio da su isprepletene čestice korelirane na čudne kvantne načine i da se ne mogu objasniti takozvanim skrivenim varijablama. Testovi provedeni 70-ih i 80-ih potvrdili su da mjerenje jedne isprepletene čestice doista određuje stanje druge, brže nego što bi bilo koji signal mogao putovati između njih.
Drugi ključni sastojak druge kvantne revolucije bila je teorija informacija, spoj matematike i računarstva, koju su razvili pioniri poput Claudea Shannona i Alana Turinga. Godine 1994. kombiniranje novih uvida u temelje kvantne mehanike s teorijom informacija dovelo je matematičara Petera Shora do uvođenja algoritma brze faktorizacije za kvantno računalo, računalo čiji bitovi postoje u superpoziciji i mogu biti isprepleteni.
Shorov algoritam osmišljen je za brzo dijeljenje velikih brojeva na njihove jednostavne faktore. Koristeći se algoritmom kvantno računalo moglo je riješiti problem mnogo učinkovitije od klasičnog. To je bila najjasnija rana demonstracija vrijednosti kvantnog računarstva. "To je doista učinilo cijelu ideju kvantne informacije novim konceptom, koji su oni od nas koji su radili u srodnim područjima odmah cijenili", kaže Ivan Deutsch, kvantni fizičar sa Sveučilišta u Novom Meksiku. "Shorov algoritam sugerirao je mogućnosti koje nova kvantna tehnologija može imati u odnosu prema postojećoj klasičnoj tehnologiji, potičući istraživanja u svim područjima."
Shorov algoritam je od posebne važnosti za enkripciju, jer je upravo teškoća identificiranja jednostavnih faktora velikih brojeva ono što čuva privatnost podataka na mreži. Da bi otključalo šifrirane informacije, računalo mora znati jednostavne faktore velikog broja povezanog s njim. Upotrijebite li dovoljno velik broj, zagonetka pogađanja njegovih jednostavnih faktora za klasično računalo može potrajati tisućama godina. Sa Shorovim algoritmom igra pogađanja može trajati samo nekoliko trenutaka.
Današnja kvantna računala još nisu dovoljno napredna da bi implementirala Shorov algoritam. Ali kako Deutsch ističe, skeptici su nekoć sumnjali da je kvantno računalo uopće moguće: "Jer postojala je svojevrsna kompenzacija. Vrsta eksponencijalnog povećanja računalne snage koja bi mogla proizići iz kvantnih superpozicija bila bi suzbijena upravo eksponencijalnom osjetljivošću na šum."
Iako su izumi poput tranzistora zahtijevali poznavanje kvantne mehanike, sam uređaj nije bio u osjetljivom kvantnom stanju, pa se mogao opisati poluklasično. Kvantna računala, s druge strane, zahtijevaju osjetljive kvantne veze. Ono što se promijenilo, bilo je Shorovo uvođenje kodova za ispravljanje pogrešaka. Kombinirajući koncepte iz klasične teorije informacija s kvantnom mehanikom Shor je pokazao da se, u teoriji, čak i osjetljivo stanje kvantnog računala može očuvati.
Osim kvantnog računarstva druga kvantna revolucija također obuhvaća nove načine upotrebe tehnologije za manipuliranje materijom na kvantnoj razini.
S pomoću lasera istraživači su naučili crpiti energiju atoma i hladiti ih. Poput nogometaša koji nizom udaraca šalje loptu po terenu, laseri mogu ohladiti atome na milijardite dijelove stupnja iznad apsolutne nule - daleko hladnije od konvencionalnih tehnika hlađenja. Godine 1995. znanstvenici su se koristili laserskim hlađenjem kako bi promatrali dugo predviđeno stanje materije: Bose-Einsteinov kondenzat.
Razvijene su i druge kvantne optičke tehnike za ultraprecizna mjerenja.
Klasični interferometri, poput onih korištenih u poznatom Michelson-Morleyjevom eksperimentu, koji je mjerio brzinu svjetlosti u različitim smjerovima kako bi se tražili znakovi hipotetskog etera, proučavali su interferencijski uzorak svjetlosti. Novi interferometri za val materije iskorištavaju princip da sve - ne samo svjetlost - ima valnu funkciju. Mjerenje promjena u fazi atoma, koji imaju mnogo kraće valne duljine od svjetlosti, moglo bi dati neviđenu kontrolu eksperimentima koji pokušavaju izmjeriti i najmanje učinke, poput onih gravitacije.
S laboratorijima i tvrtkama diljem svijeta usmjerenima na napredak u kvantnoj znanosti i primjenama, druga kvantna revolucija tek je počela. Kao što je rekao John Bardeen, američki fizičar, u svom Nobelovu predavanju, možda smo u još jednom "posebno prikladnom trenutku... da dodamo još jedan mali korak u kontroli prirode za dobrobit čovječanstva".
