Kada u naslovu vidite riječ “kvantno”, dobro je uzeti taj izraz s dozom opreza. Ono što slijedi može biti vrhunska znanost, ali i vrhunski marketing. Kvantna fizika već više od stotinu godina zbunjuje i oduševljava jer nam govori da svijet na svojoj najdubljoj razini ne radi onako kako sugerira svakodnevno iskustvo. No upravo ta ista “čudna” fizika dala nam je vrlo konkretne stvari: tranzistor, laser, magnetsku rezonanciju, atomske satove, optičke komunikacije i modernu elektroniku - kaže prof. dr. sc. Davor Horvatić, redoviti profesor na Zavodu za teorijsku fiziku čestica i polja Prirodoslovno-matematičkog fakulteta (Fizički odsjek) Sveučilišta u Zagrebu, te dodaje:

PROF. DR. SC. DAVOR HORVATIĆ

- Kvantna mehanika nije daleka budućnost. Ona je već ugrađena u našu sadašnjost. Mobitel, internet, medicinska dijagnostika, navigacija i industrijska mjerenja ne bi izgledali ovako bez kvantne fizike. Već živimo u civilizaciji koju kvantna mehanika kontinuirano mijenja posljednjih stotinu godina.

SCHRÖDINGEROVA MAČKA

Što je kvantna mehanika i zašto je toliko promijenila naše razumijevanje prirode?

- Kvantnu mehaniku ne treba predstavljati kao magiju i koristiti je da bi proizvodima dala nevjerojatna svojstva. Ona nije ni dopuštenje da kažemo da je sve moguće. Upravo suprotno, to je jedna od najpreciznijih teorija koje je ljudski um ikada sastavio. Problem je samo u tome što su njezina pravila vrlo udaljena od našeg svakodnevnog iskustva. No njezin je početak zapravo u jednoj naizgled jednostavnoj stvari: pokušaju da se objasni kako užareno tijelo zrači svjetlost. To je fizika koju možemo zamisliti i kroz žarulju sa žarnom niti. Kvantna mehanika počela je kada je Max Planck pokušao objasniti koliko energije takvo tijelo zrači na pojedinim frekvencijama.

U klasičnom svijetu volimo zamišljati čestice kao male kuglice. Tu su, imaju položaj, brzinu i putanju. U kvantnom svijetu to više nije dobra slika. Uz kvantnu fiziku veže se i izraz valno-čestična dualnost, no pri opisu tog fenomena često izbacimo riječ poput. Ispravno je reći da se u nekim eksperimentima kvantni objekti ponašaju poput valova, a u nekim poput čestica. Poput je ključni pojam. Kvantni objekti nisu ni čestice ni valovi, nego nešto za što nemamo riječ u svakodnevnom životu, pa je najispravnije zvati ih - kvantonima.

Kvantni sustav može biti u superpoziciji stanja, što znači da ga prije mjerenja ne možemo opisati jednim klasičnim svojstvom. Mjerenje kvantnog sustava nije pasivno promatranje, to je međudjelovanje s kvantnim sustavom. Dva kvantna objekta mogu biti povezana na način za koji nemamo svakodnevnu analogiju. Takvu povezanost nazivamo kvantnom spregnutošću.

No odmah treba stati na kočnicu. Superpozicija ne znači da je sve moguće. Spregnutost ne znači slanje poruka brže od svjetlosti. Kvantna teleportacija ne znači da ćemo se sutra prebacivati iz Osijeka u Zagreb. Ti pojmovi imaju u fizici precizno značenje. Problem nastaje kada ih iz fizike preselimo u reklame, motivacijske govore ili lošu znanstvenu fantastiku.

Pokušajmo te pojmove predočiti nečim slikovitim. Kvantna se superpozicija povijesno često prikazivala misaonim eksperimentom Schrödingerove mačke. Mačka se nalazi u kutiji s radioaktivnim mehanizmom koji pokreće smrtonosni stroj. Kako je raspad atoma kvantni proces, vi ne znate je li mačka živa ili mrtva prije otvaranja kutije. Ona je u superpoziciji stanja mrtva/živa, dok se ne obavi mjerenje, tj. otvaranje kutije. Schrödingerova mačka nije bila prijedlog stvarnog pokusa s mačkom, nego provokativan misaoni eksperiment. Njime je Schrödinger želio pokazati koliko je opasno kvantne pojmove nekritički prenositi iz svijeta atoma u svakodnevni svijet stolova, kutija i mačaka.

Kvantna spregnutost je svojstvo kvantne mehanike koje kontinuirano izaziva ljudski um. Radi se o tome da se spregnuti kvantni sustav ne može opisati samo kao zbroj neovisnih lokalnih svojstava njegovih dijelova. Primjerice, napravite spregnuti kvantni sustav od dvije čestice, pri čemu svaka može imati dva svojstva, recimo A i B. No fizika tog kvantnog sustava je takva da ako prva ima svojstvo A, odmah znate da druga čestica mora imati svojstvo B. Ono što je ljudima teško prihvatiti jest da je rezultat takvih eksperimenata uvijek takav, čak i kad je udaljenost između čestica toliko velika da izgleda kao da bi se informacija među njima morala prenijeti brže od svjetlosti. No upravo je važno naglasiti da se na taj način ne može slati korisna poruka brže od svjetlosti.

Koje tehnologije već danas postoje zahvaljujući kvantnoj fizici, od tranzistora i lasera do magnetske rezonancije i moderne elektronike?

- Laser je dobar primjer kvantne tehnologije. Imamo ga u svakodnevnoj uporabi, u medicini, industriji, telekomunikacijama i trgovinama. Njegov rad pogone zakoni kvantne fizike. Atomi i molekule imaju diskretna energetska stanja, a svjetlost se može pojačati kontroliranom emisijom fotona, odnosno kvanta elektromagnetskog zračenja. Bez kvantne mehanike laser ne bi imao fizikalni smisao.

Slično vrijedi za tranzistor, mali prekidač i pojačalo koje je temelj integriranih krugova, računala i mobitela. Bez razumijevanja kvantne prirode elektrona u čvrstim tijelima nema moderne elektronike. Magnetska rezonancija koristi kvantna svojstva atomskih jezgri da bi odredila konture i svojstva tkiva. Atomski satovi koriste precizne prijelaze između kvantnih stanja, a optičke komunikacije lasere i fotodetektore. Dakle, kvantne tehnologije nisu nešto što tek dolazi. One su već promijenile i kontinuirano mijenjaju svijet.

Što danas nazivamo novim kvantnim tehnologijama? Jesu li to kvantna računala, kvantna komunikacija, kvantna kriptografija i kvantni senzori?

- Nove kvantne tehnologije sljedeći su korak razvoja, primjene i dubljeg razumijevanja kvantne mehanike. Više ne koristimo samo kvantna svojstva materijala nego pokušavamo pojedinačne kvantne sustave kontrolirati kao što danas kontroliramo električne signale. Tu dolazimo do kvantnih računala, kvantne komunikacije, kvantne kriptografije i kvantnih senzora.

Kvantna komunikacija mogla bi omogućiti sigurniju razmjenu kriptografskih ključeva i povezivanje budućih kvantnih uređaja. Kvantni senzori koriste osjetljivost kvantnih sustava za precizna mjerenja magnetskih polja, gravitacije, vremena, ubrzanja ili rotacije. Ista stvar koja smeta kvantnom računalu može pomoći kvantnom senzoru: ako je sustav vrlo osjetljiv na okolinu, to je problem za računanje, ali prednost za mjerenje. Zato bi senzori mogli prije postati praktično važni u medicini, geologiji, navigaciji bez GPS-a i istraživanju materijala.

OD BITA DO KUBITA

Zašto su kvantna računala toliko privlačna, ali i zašto ih nije lako pretvoriti u svakodnevno korisne strojeve?

- Najpoznatiji dio nove kvantne priče su kvantna računala. O njima se govori najviše, često i previše. Kvantno računalo nije samo brže klasično računalo. Ono nije budući laptop koji će bolje vrtjeti Excel, videoigre ili društvene mreže. To je drukčiji tip stroja za drukčiju vrstu problema.

U klasičnom računalu osnovna jedinica informacije je bit, koji može biti 0 ili 1. U kvantnom računalu govorimo o kubitu. Kubit može biti u tzv. superpoziciji stanja, tako da pri mjerenju s određenom vjerojatnošću dobijemo vrijednost 0, a s drugom vrijednost 1. Naravno, ne mora samo jedan kubit biti u takvom stanju, više kubita može biti kvantno spregnuto, čime dobivamo mogućnost drukčije obrade informacije. Dobri kvantni algoritmi pokušavaju iskoristiti, ako se poslužimo jezikom valnog opisa, interferenciju kvantnih amplituda tako da pojačaju putove koji vode prema točnom odgovoru i potisnu one koji vode prema krivom.

Za neke probleme to bi moglo biti iznimno važno: simulacije molekula i materijala, razvoj katalizatora, dio optimizacijskih problema, kriptografija i određeni matematički zadaci. No od načela do korisnog uređaja vodi težak inženjerski put.

Glavni problem kvantnih računala jednostavno je izreći, ali teško riješiti. Radi se o smanjenju i ispravljanju pogrešaka. Kvantna stanja su osjetljiva. Toplina, vibracije, elektromagnetski šum i interakcija s okolinom brzo uništavaju informaciju koju želimo sačuvati. Fizičari to zovu dekoherencija. Možda je uništavanje informacije preteška riječ, jer radi se o sličnom fenomenu kao kad se potencijalna energija lopte koju ispustimo iz ruke pretvori u raspršenu energiju toplinskog gibanja molekula u podu. Popularno rečeno, pokušavate svirati violinu dok oko vas radi građevinski stroj. Znate melodiju, instrument je dobar, ali uvjeti nisu koncertni. Melodija se ispreplete s bukom i u njoj nestane.

Zato se danas velik dio istraživanja vrti oko kvantne korekcije pogrešaka. Kako od mnogo nesavršenih fizičkih kubita napraviti manji broj pouzdanijih logičkih kubita. Posljednjih godina tu ima stvarnog napretka. No to još ne znači da imamo opće uporabljivo kvantno računalo. Povijest tehnologije uči nas strpljenju: prvi tranzistori nisu odmah dali pametne telefone. Dobar primjer tog puta od temeljne fizike do tehnologije jest američki fizičar hrvatskih korijena John Martinis, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 2025. godine. Njegov rad s Johnom Clarkeom i Michelom Devoretom pokazao je da se kvantni efekti mogu očitovati i u supravodljivom električnom krugu, a upravo su takvi krugovi danas jedna od glavnih platformi za kvantna računala.

Što je u toj priči realna znanost, a gdje počinje pretjerivanje, marketing ili znanstvena fantastika?

- Kao i kod svake velike tehnologije, postoji opasnost od pretjerivanja. Mediji vole naslov, investitori vole obećanje, a priroda voli biti tvrdoglava. Zato bih predložio jednostavno pitanje: što je točno demonstrirano? Je li riječ o teorijskoj ideji, laboratorijskom eksperimentu, prototipu, industrijskom proizvodu ili marketinškoj najavi?

Kod kvantnih računala broj kubita sam po sebi ne znači mnogo. Kao da procjenjujemo orkestar samo po broju glazbenika, a ne pitamo znaju li svirati zajedno. Važni su kvaliteta operacija, povezanost, korekcija pogrešaka, arhitektura i stvarna primjena. Kvantna tehnologija nije natjecanje u velikim brojevima, nego u kontroliranju vrlo osjetljivih sustava.

Kako bi Europa, pa i Hrvatska, trebale razmišljati o kvantnim tehnologijama: kroz obrazovanje, istraživanje, infrastrukturu i pametna ulaganja? Ima li Hrvatska svoje istraživače i projekte na tom polju?

- Europa je svjesna da se u kvantnim tehnologijama ne radi samo o znanstvenoj znatiželji nego i o industrijskoj i strateškoj samostalnosti. Zato postoje velike europske inicijative koje pokušavaju povezati temeljna istraživanja, razvoj tehnologije, industriju i obrazovanje. Ovdje se ne natječu samo pojedini laboratoriji nego cijeli ekosustavi: sveučilišta, instituti, kompanije, inženjeri, škole i javne politike.

Hrvatska u toj priči ne treba glumiti tehnološku supersilu, ali ne smije ni stajati sa strane. Male zemlje rijetko pobjeđuju veličinom, ali mogu biti izvrsne ako pametno odaberu područja u kojima žele biti prepoznatljive. Hrvatska tu već ima međunarodno vidljive ljude i grupe: Marija Stipčevića s Instituta Ruđera Boškovića, vezanog uz kvantnu optiku, fotoniku i kvantnu komunikaciju; grupe Ticijane Ban i Damira Aumilera na Institutu za fiziku, u hladnim atomima, kvantnoj optici, metrologiji, senzorima i atomskim satovima; te Hrvoja Buljana na PMF-u, u teorijskoj fizici kvantnih i fotoničkih sustava. Zato je uključivanje u europske komunikacijske i istraživačke infrastrukture važno: kroz takve mreže i manji znanstveni sustavi mogu postati dio velikih znanstvenih i tehnoloških tokova.

No najvažnija infrastruktura nisu samo uređaji. Najvažnija infrastruktura su ljudi. Za kvantne tehnologije trebaju fizičari, matematičari, informatičari, elektrotehničari, stručnjaci za materijale, kriptografi i inženjeri. Ako želimo biti dio te priče, moramo obrazovati ljude koji se ne boje ni jednadžbi ni lemilice, ni laboratorija ni programskog koda.

MORALNE DVOJBE

Koja su društvena i etička pitanja važna kod novih tehnologija, ali bez nepotrebnog prizivanja katastrofičnih scenarija?

- Svaka snažna tehnologija otvara etička pitanja. Kod kvantnih tehnologija ozbiljna pitanja uključuju sigurnost komunikacija, kriptografiju, vojnu primjenu, tehnološku ovisnost i dostupnost znanja. Ako dovoljno snažna kvantna računala jednog dana postanu sposobna razbijati dio današnje kriptografije, to je problem za banke, države, zdravstvo i privatnost. Zato se već sada razvija kriptografija koja će biti otporna na tu promjenu, odnosno klasični algoritmi koji bi trebali biti otporni na napade budućih kvantnih računala.

No ne mislim da je znanstveni napredak put u propast. Opasnost nije u tome što razumijemo prirodu bolje nego prije. Opasnost je u tome da tehnologiju koristimo bez razumijevanja, bez obrazovanja i bez javne odgovornosti. Tehnologija nije moralni subjekt. Moralni subjekti smo mi.

Kada se pojavilo strojno učenje u fotografiji, mnogi su se pitali znači li to kraj fotografa. Pokazalo se da je zanimljivije pitanje kako čovjek i stroj mogu raditi zajedno. Slično vrijedi i ovdje. Budućnost nije čovjek protiv kvantnog stroja. Budućnost je čovjek koji ima novi, iznimno osjetljiv i moćan instrument za razumijevanje prirode.

Kvantna budućnost zato nije bajka o čudesnim računalima koja će sutra riješiti sve naše probleme. Ona je nastavak stare ljudske priče: polako, tvrdoglavo i često uz puno pogrešaka učimo kako priroda radi. Kada to naučimo dovoljno dobro, iz toga nastanu tehnologije koje promijene civilizaciju. Tranzistor i laser su to već učinili. Kvantna računala, kvantne mreže i kvantni senzori možda su sljedeće poglavlje. Samo ga još uvijek pišemo, rečenicu po rečenicu, eksperiment po eksperiment.