Početkom prošlog stoljeća činilo se kako je većina ključnih pitanja u fizici već riješena. Povjesničari znanosti često pritom citiraju poznatu izjavu Lorda Kelvina o “dva mala oblaka na vedrom nebu fizike”, premda se često zaboravlja da je Kelvin zapravo upozoravao kako je riječ o ozbiljnim problemima. Njegova intuicija pokazala se točnom: razrješenje jednog “oblaka” vodilo je prema Einsteinovoj teoriji relativnosti, a drugog prema kvantnoj mehanici - kaže Mate Jagnjić, m. sc., vodeći istraživač na Zavodu za komunikacijske i svemirske tehnologije Fakulteta elektrotehnike i računarstva (FER) i gostujući istraživač u Njemačkom svemirskom centru (DLR), te dodaje:

- Premda su obje teorije bile radikalne, kvantna teorija bila je toliko neobična da je praktično sve što je postojalo prije nje - uključujući i Einsteinovu relativnost, sa svim njezinim neobičnostima, poput dilatacije vremena, crnih rupa i zakrivljenog prostorvremena - proglašeno “klasičnom fizikom”. Kvantna mehanika prvi put uvodi fundamentalnu nasumičnost kao zakon prirode, no još i gore od toga, prvi put imamo situaciju gdje su se fizičari, suočeni s nemogućnosti pronalaska jasne slike o tome što se događa na najmanjim dimenzijama, odrekli jasne ontologije (slike prirode) u korist ograničavanja mogućnosti same spoznaje o prirodi. Niels Bohr kazat će da se i ne možemo koristiti svakodnevnim jezikom kako bismo opisali zbilju na kvantnoj razini, te da nam takav opis služi više kao poezija - jer se u poeziji, pak, ne opterećujemo toliko opisom činjeničnog stanja koliko time da stvorimo slike i mentalne poveznice.

Zbog takve situacije u samim početcima kvantne mehanike došlo je do dubokog sukoba njezinih tvoraca, obilježenih Bohr-Einsteinovim debatama, koji traje i danas, a koji se tiče pitanja potpunosti kvantne teorije.

No u jednom će se svi složiti: matematički formalizam funkcionira i to toliko dobro da je bio temelj za tehnološku revoluciju koja se dogodila u 20. stoljeću, koju danas nazivamo prva kvantna revolucija, a koja je dovela do razvoja tehnologija koje danas uzimamo zdravo za gotovo: tranzistora, poluvodiča, lasera, magnetske rezonance i moderne elektronike općenito. Drugim riječima, koristili smo se spoznajama kvantne fizike kako bismo razvili tehnologije koje pokreću računala, internet i mobilne telefone, ali pritom još uvijek nismo aktivno upravljali pojedinačnim kvantnim stanjima.

ŠPIJUNIRO GOLUBIRO

Na čemu se zapravo temelji druga kvantna revolucija? Einstein je tu nezaobilazan kad se radi o teoriji, no mnogi su istraživači puno toga potvrdili u praksi uključujući i neke nobelovce... Što nam o tome možete reći?

- Druga kvantna revolucija se pak temelji na mogućnosti aktivne kontrole pojedinačnih kvantnih sustava i fenomena poput superpozicije, kvantne koherencije i kvantne sprege, odnosno isprepletenosti (eng. entanglement). Ona se u principu i dalje bazira na istoj onoj kvantnoj mehanici koja je napravljena prije stotinu godinu, na istim principima, s tim što su neki od tih principa, u međuvremenu, postali jasniji i konceptualno i u smislu primjene.

Kvantna superpozicija znači da kvantni sustav može istovremeno biti u kombinaciji više, međusobno isključivih, mogućih stanja. Za razliku od klasičnog bita, koji u svakom trenutku može imati vrijednost 0 ili 1, kvantni bit, odnosno qubit, može biti u superpoziciji stanja 0 i 1. Tek u trenutku mjerenja kvantno stanje “kolabira” u jedan konkretan ishod: 0 ili 1.

Najbolji primjer koliko je kvantna mehanika različita od naše svakodnevne intuicije spomenuta je kvantna sprega. Riječ je o fenomenu koji je Einstein nazivao sablasnim djelovanjem na daljinu. Einstein nije bio samo promatrač u kvantnoj teoriji, on je sudjelovao u njezinoj izgradnji. Einstein je poznat po teoriji relativnosti, gdje je ograničio maksimalnu brzinu objekata u svemiru na brzinu svjetlosti, pa čak i gravitaciju: ako bi u ovom trenutku Sunce nestalo, na Zemlji to nitko ne bi osjetio sljedećih osam minuta, koliko svjetlosti treba da dođe do Zemlje sa Sunca. S druge strane, kada uzmete dvije čestice, koje su kvantno spregnute, i odvojite ih na dva kraja vidljivog svemira, može se pokazati da mjerenje stanja jedne čestice trenutačno određuje stanje druge, bez obzira na udaljenost među njima i bez obzira na to što bi i svjetlu trebale milijarde godine da doputuje od jedne čestice do druge.

Takvo ponašanje nema presedana u fizici. Taj nelokalni efekt nije ostao samo filozofska ili teorijska ideja, nego je eksperimentalno potvrđen, a John Clauser, Alain Aspect i Anton Zeilinger za ta su istraživanja 2022. godine podijelili Nobelovu nagradu za fiziku. Danas upravo kvantna sprega čini jedan od temelja kvantnih tehnologija.

Stoga danas, stotinu godina nakon nastanka kvantne mehanike, pokušavamo upravo ta neobična svojstva prirode pretvoriti u novu generaciju tehnologija. To uključuje kvantna računala, kvantnu komunikaciju i kvantnu kriptografiju, iznimno precizne kvantne senzore te buduće kvantne mreže i kvantni internet. Primjerice, kvantna distribucija ključeva, kao najzreliji produkt kvantnih komunikacija, omogućuje da dvije strane razmijene šifrirani ključ koristeći se samim zakonima fizike, pri čemu svaki pokušaj prisluškivanja ostavlja detektabilan trag. Čak ni “Špijuniro Golubiro” nije u stanju prisluškivati takve kanale, jer bi morao prekršiti zakone kvantne fizike, a pristojni gradski golubovi, poznato je, poštuju zakone prirode!

Sve u svemu, druga kvantna revolucija nije samo nova generacija uređaja nego i potencijalno nova faza odnosa čovjeka i tehnologije: trenutak u kojem se prvi put ne samo koristimo posljedicama kvantne fizike nego i pokušavamo izravno upravljati samom kvantnom naravi stvarnosti.

U kojoj je fazi razvoj druge kvantne revolucije danas, s kojim se i kakvim sve izazovima suočavaju svi oni koji na tome rade? I je li napredak posljednjih godine ubrzan, izraženiji, i u kojim sve aspektima? S tim u vezi, godinama se priča da su kvantna računala i kvantni internet budućnost, ali i da je put do praktične uporabe dug i izazovan...

- Druga kvantna revolucija danas je u prijelaznoj fazi između laboratorijske demonstracije i ranih stvarnih primjena, no put je i dalje vrlo zahtjevan. Jedan od glavnih problema kvantnih tehnologija jest to što su kvantna stanja izrazito osjetljiva na okruženje. Ponekad je dovoljna vrlo mala interakcija s okruženjem (toplina, vibracije, šum) da se izgubi kvantna koherencija, odnosno informacija sadržana u kvantnom sustavu.

Zato su današnja kvantna računala još uvijek ograničena brojem kvalitetnih qubita i količinom pogrešaka koje nastaju tijekom računanja. Zbog toga se velik dio istraživanja danas ne odnosi samo na “što više fizičkih qubita” nego i na stabilnije i kvalitetnije qubite, kvantnu korekciju pogrešaka i skalabilnu arhitekturu sustava.

No premda se iz industrijskog sektora sve glasnije čuje da je era “dovoljno jakih” kvantnih računala, sposobnih da ugroze naše komunikacijske sustave, udaljena tek pet do deset godina, brojni su akademici skeptični ne samo oko takvih vremenskih projekcija nego i oko pitanja hoće li uopće ikada vidjeti takva kvantna računala. Npr. vodeći hrvatski stručnjak za kvantnu kriptografiju, dr. sc. Mario Stipčević, eksplicitno tvrdi da dovoljno jaka kvantna računala, koja bi bila sposobna ugroziti postojeće kriptografske sustave, neće nikada postojati. On nije usamljen u svojim tvrdnjama, a smatram kako je bitno da akademski sektor održi konzervativnu filozofiju u pitanju tehnološkog razvoja i ne podlegne trenutnim trendovima ako za to ne postoje strogi znanstveni argumenti; u tom kontekstu citirao bih velikog fizičara Richarda Feynmana: “Da bi tehnologija bila uspješna, stvarnost mora imati prednost pred odnosima s javnošću, jer prirodu nije moguće prevariti.”

S druge strane, kvantne komunikacije su u boljoj poziciji po zrelosti. Najzreliji podskup kvantnih komunikacija - kvantna distribucija ključa (QKD), koja omogućuje detekciju prisluškivanja na temelju zakona fizike - ne samo što se već testira u optičkim mrežama i preko satelita nego danas i postoje komercijalna QKD rješenja na tržištu.

Premda je ta tehnologija nastala na Zapadu, prvi satelit za kvantnu distribuciju ključa lansiran uopće bio je Micius, koji je Kina poslala u orbitu sredinom 2016. godine. Godine 2022. Kina je lansirala još jedan kvantni satelit, Jinan-1, koji je trenutno u orbiti i koji kvantno distribuira ključeve između lokacija (optičkih zemaljskih stanica) na različitim kontinentima, tako testirajući globalne kvantne komunikacije. Donedavno su to bila jedina dva QKD satelita u orbiti, a tek je početkom svibnja 2026. lansiran prvi QKD satelit koji nije kineski, i to njemački, naziva QUBE-II, a sljedeće godine očekuje se lansiranje prvog EU kvantnog satelita, imena Eagle-1, za čije se misije i Hrvatska priprema izgradnjom prve optičke zemaljske stanice za kvantne komunikacije, koja će omogućiti kvantnu distribuciju ključa s navedenim satelitom.

Terestrijalne, odnosno nacionalne, mreže za kvantnu distribuciju ključa također postoje u brojnim zemljama EU-a, kao i u Hrvatskoj, a dugoročni cilj je spajanje svih tih mreža, uključujući i satelitski sektor, u jednu, paneuropsku EuroQCI mrežu kao temelj za budući kvantni internet.

Naravno, kvantni internet u punom smislu riječi još je daleko. Današnji internet prenosi klasične bitove, a budući kvantni internet morao bi pouzdano distribuirati kvantna stanja i kvantnu spregu na velikim udaljenostima, što, uz bolje satelitske sustave, zahtijeva tehnologije poput kvantnih repetitora, koje još nisu tehnološki zrele. Možda bi se moglo reći da se nalazimo otprilike u fazi koja podsjeća na rane dane razvoja računala i mreža sredinom 20. stoljeća. Već sada postoje vrlo ozbiljne i konkretne primjene, ali još ne postoji univerzalna, masovno dostupna kvantna infrastruktura. Upravo zato je ovo područje danas zanimljivo: više nije čista teorija, ali još uvijek nije ni gotov proizvod.

BROJNI IZAZOVI

Kad se sve uzme u obzir, napose pozitivni aspekti, stoji li konstatacija da je druga kvantna revolucija temelj za budućnost digitalnog svijeta, uključujući i Europu, pa i Hrvatsku, za znanstveni napredak u 21. stoljeću? Ako tako jest, koji su glavni argumenti u tom smislu? Postoje li, međutim, i neke opasnosti, i kakve?

- Temelj za budućnost bilo kakvog svijeta, pa i digitalnog, jesu djeca. Temelj za znanstveni napredak su sloboda i znatiželja, odnosno želja za znanjem: učiti djecu kako se čuditi, omogućiti joj da rastu u slobodi, miru i ljubavi, kako bi razvijala kreativnost i maštu te se usmjerila na ono gdje su joj talenti. Dijete koje trenutno trpi strahote rata i gladi nema osigurane osnovne egzistencijalne preduvjete da bi se mozak uopće mogao staviti u stanje u kojem bi mogao otkrivati tajne svemira, jer sam taj proces počinje s najobičnijim bezbrižnim maštanjem. Koliko smo “kvantnih revolucija” izgubili jer su genijalci koji su takvo nešto mogli iznjedriti da su imali priliku završili pod urušenim zidinama zgrada, ili, manje dramatično, radeći mukotrpne poslove cijeli život kako bi preživjeli. Riješimo taj problem, i vjerujem da će to biti najveći katalizator znanstvenog i tehnološkog napretka koji smo vidjeli.

Izvan tog općeg problema, smatram da će druga kvantna revolucija imati značajan utjecaj na tehnološki razvoj - pa sama činjenica da trenutno možemo imati sustave koji garantiraju stvarnu privatnost (tj. sigurnost temeljenu na zakonima fizike) u vremenu kada su ljudi odustali od ideje privatnosti već je nešto što mijenja određene društvene koncepte, da ne spominjem razvoj kvantnih senzora, koji bi u budućnosti mogli omogućiti navigacijske sustave manje ovisne o GPS-u ili pak benefit potencijalnog razvoja kvantnih računala čiji je puni potencijal primjene u ovom trenutku teško i zamisliti, ali ne bih se usudio konstatirati da je ona i temelj za znanstveni napredak u 21. stoljeću. Može se dogoditi da nam takva tehnologija omogući uvide u nove zakone prirode, međutim, povijest znanosti nam pokazuje da su se revolucionarne znanstvene spoznaje često događale upravo tamo gdje nitko nije gledao prije.

Dok sve više slušamo o kvantnim računalima i ostalim čudima, možda u ovom trenutku npr. jedan teorijski fizičar razmišlja o nečemu toliko naizgled jednostavnom, o nečemu što ne obećava obnovu posrnule ekonomije ili lijek za vječnu mladost ili još jednu tehnološku revoluciju, a ujedno i nečem što će stvarno promijeniti svijet iz temelja, kao što je to učinila Darwinova teorija evolucije, Newtonova teorija gravitacije ili Einsteinova teorija relativnosti. To su prave znanstvene revolucije, koje mijenjaju naše koncepte i način na koji razumijevamo stvarnost, a čiji je utjecaj na tehnološki razvoj tek sekundarni efekt koji dolazi po naravi stvari. Stoga, ako je nešto trenutno trend u svijetu, a izgleda da nakon umjetne inteligencije sve više trend postaju kvantne tehnologije, ne znači automatski da je taj trend univerzalno dobar i da moramo polagati sve nade u njega.

Opasnost koju vidim više je u smislu potencijalnog stvaranja hypea, odnosno da se ne dogodi da većina novca predviđenog za istraživanja ode u područje kvantnih tehnologija. U takvim situacijama, u kojima se stvori dojam da je neko područje iznimno važno, puno važnije od svih ostalih, dolazi do raznih fenomena koji štete znanosti: (1) ljudi se počinju baviti temom jer su tu novci, ne nužno jer imaju neke dobre ideje ili znatiželju prema području; (2) pojavljuju se ljudi koji pojma nemaju u samome području niti ikako mogu pridonijeti, ali usvajaju tehnomenadžerski jezik struke orijentirajući se na hvatanje raznih projekata, umrežavanje, vidljivost i građenje Potemkinovih sela od (znanstvene) karijere i (3), najvažnije, uskraćuje se novac znanstvenim projektima koji trenutno nemaju jasno vidljivu direktnu korist za društvo, što, paradoksalno, može rezultirati uskraćivanjem novca za projekt koji bi možda i imao dugoročno neizmjerno veću korist za društvo od one koja je trenutno u trendu.

Paradoksalno, cijelo ovo područje kvantnih tehnologija, koje je postalo izrazito važno posljednjih godina za tehnološki razvoj, nastalo je na pitanjima i idejama koja su svojedobno zvučali znanstveno “luzerski”, odnosno na pitanjima koja su bila toliko na raskrižju fizike i filozofije da je većina znanstvenika tog vremena smatrala kako od toga neće biti nikakve koristi: krenuvši od Einsteinovih propitkivanja temelja kvantne mehanike u kontekstu EPR paradoksa iz 1930-ih, teorema Johna Bella iz 1960-ih, eksperimenata iz 1970-ih i 80-ih, kada su ključne eksperimentalne fizičare, kao Alaina Aspecta, savjetovali da promijeni područje istraživanja ako želi imati stabilnu akademsku poziciju, a koji će 2022. podijeliti Nobelovu nagradu upravo za fenomen koji je postao temelj druge kvantne revolucije (EPR paradoks, Bellov teorem i spregnuta stanja).

TEHNOLOGIJA
I DRUŠTVO

Ukupno uzevši, svima je jasno da znanstveni i tehnološki napredak nije moguće zaustaviti... No je li nova era tehnologije uključujući i razvoj UI-ja put u napredak ili put u propast? Ili da pitanje ovako formuliramo: Jesmo li na putu od postmodernog do postkvantnog čovjeka zanemarili etiku? Vaš završni komentar?

- Znanost i tehnologija nisu neki apstraktni entiteti iz paralelnog svemira; naravno da vjerujem u objektivnu stvarnost, koju pokušavamo razumjeti koristeći se znanstvenim metodama, ali pri tome je nemoguće odvojiti samoga čovjeka i ostale podskupove njegova djelovanja i bivanja od samoga procesa znanstvene spoznaje. Stoga ne smatram da je čist tehnološki napredak, ili evolucija, a priori ni put u propast ni put u bolje sutra.

Internet, to tehnološko čudo bez kojeg nam je teško zamisliti svakodnevnicu, možemo upotrebljavati i za videopoziv dragoj osobi koja je na drugom kraju svijeta, ali i za hejt komentar ispod ovog članka. Ne znam koje sile unutar čovjeka, kao i društva, na kraju odluče sam smjer civilizacije; tim pitanjem bave se sociolozi, a ja se tek povremeno prisjetim eseja Osnovni zakoni ljudske gluposti talijanskog povjesničara ekonomije Carla Cipolla, koji je smjer društva opisao kao funkciju broja glupih ljudi na čelnim pozicijama: dok god je taj broj manji od granične vrijednosti, društvo napreduje. Cipolla ne postulira da određena društva imaju manje ili više glupih ljudi (smatra da je taj postotak konstantan), nego je ključ u tome koliko društvo dopusti da oni doguraju visoko unutar struktura društva i koliko društvo podcjenjuje njihovu destruktivnost. Naravno, Cipollin model zvuči prejednostavno da bi bio istinit, ali, tko zna, možda je istina u biti jednostavna.

Smjer u kojem idemo stoga ne znam, ali nadam se da će razvoj tehnologije biti praćen i općim razvojem društva. Sve to vidim kao prirodan proces evolucije civilizacije, pri čemu je teško odvojiti tehnološki napredak od samog čovjeka i društva koje te tehnologije stvara i upotrebljava. U vremenu u kojem se tehnologije razvijaju toliko brzo da i sami stručnjaci ponekad teško prate dinamiku vlastitog područja, odnos pojedinca, društva i tehnologije možda prikladno opisuje citat iz kultne japanske cyberpunk mange Duh u ljusci (Ghost in the Shell), smještene u budućnost, gdje su kiborzi i napredna umjetna inteligencija sastavni dio društva, a glasi: “U dinamičnom okruženju sve se mijenja. Tvoj napor da ostaneš ono što jesi jest upravo ono što te ograničava.”