„Zákony kvantovej fyziky v princípe umožňujú spracovať informáciu rýchlejšie ako ktorýkoľvek klasický počítač," hovorí teoretický fyzik VLADIMÍR BUŽEK z Fyzikálneho ústavu SAV. Pracuje aj na vytvorení kvantových počítačov.
Uľahčujú nám život. Počítajú za nás úlohy, pomáhajú riadiť kozmické lety či operovať ľudí.
No aj keď sa hovorí, že rýhlosť počítačov sa zhruba každé dva roky zdvojnásobuje, niekedy nadobudnete pocit, že sú stále príliš pomalé. Pretrváva pocit, že potrebujeme novú generáciu superrýchlych strojov, ktoré by súčasné počítače odsunuli do technických múzeí.
Hovorí sa pritom o dvoch možných budúcnostiach počítačov. Jedna by zo strojov mohla urobiť „živé" organizmy. No zrejme perspektívnejšia stavila na fenomény, ktoré fungujú v drobnom, bežne neviditeľnom kvantovom svete.
Práve kvantové procesory sú jednou z tém, ktorými sa zaoberá aj teoretický fyzik Vladimír Bužek z Fyzikálneho ústavu SAV.
Poprehadzované kotúče
Kvantová fyzika je zvláštne územie. Často v nej veci fungujú inak, ako naznačuje bežná skúsenosť a zdravý rozum.
Kvantové objekty môžu jestvovať aj nejestvovať či nachádzať sa v rôznych stavoch súčasne. Tieto stavy sa menia už len tým, že ich pozorujeme. A nielen to, kvantový svet nie je lokálne realistický, a tak pozorovanie na jednom mieste môže ovplyvňovať dianie niekde úplne inde bez toho, aby sa medzi týmito dvoma miestami priamo prenášala informácia.
Do tohto sveta sa ponoril aj fyzik, ktorý chcel pôvodne študovať sinológiu a kunsthistóriu. „Zlom však prišiel raz v kine," hovorí Vlado Bužek o svojej ceste k fyzike.
„V bratislavskom kine Čas premietali Zanussiho film Iluminácia o mladom človeku, ktorý hľadá miesto vo svete. Bol to film o poznaní, o možnosti vôbec poznať tento svet. Pod vplyvom tohto filmu som sa rozhodol, že by som mohol študovať fyziku."
Vedec pritom s pobavením spomína, že celý ten film bol nejaký zvláštny. „Premietač bol zrejme ´unavený´ a poprehadzoval kotúče. Ja som potom ten film videl v takej postmodernej podobe."
Neskôr sa Bužek rozhodol pre štúdium na Moskovskej štátnej univerzite. „Študoval som na katedre teoretickej fyziky a hľadal zaujímavú tému," spomína.
V hlave mu vŕtala otázka spojená so štruktúrou časopriestoru: „Sú čas a priestor spojité, alebo majú granulárnu štruktúru? Existuje čosi ako fundamentálna dĺžka či minimálny interval času? Bolo to len kúsok ku kvantovej teórii."
Previazané systémy
S vedcom sedíme v priestrannej kancelárii, ktorej dominuje pracovný stôl a najmä tabuľa pokreslená čudesnými vzorcami. Teoretický fyzik vlastne nepotrebuje veľa a jeho nástrojom je schopnosť premýšľať nad abstraktnými predstavami.
„Keď som sa po ôsmich rokoch štúdia v Moskve vrátil domov, bolo to zložité," vysvetľuje svoje začiatky Bužek. „Nik ma neočakával s otvorenou náručou, tak som si povedal, že sa vyberiem vlastnou cestou - budem robiť to, čo na Slovensku nik nerobil. Bola to kvantová optika."
Pri tejto práci sa stretol s článkami Petra Knighta z londýnskej Imperial College. „Uvedomil som si, že matematický model, ktorý používal vo svojich prácach, veľmi dobre poznám," vysvetľuje fyzik. S podobným modelom pracoval v Rusku.
„Kontaktoval som teda Petra Knighta a mal som šťastie, že v roku 1989 existovala výmena medzi SAV a britskou Royal Society. Dostal som sa do Londýna a za mesiac som tam napísal dva články, a to ich presvedčilo, že asi niečo viem."
Tam sa fyzik stretol aj s teóriou kvantovej informácie, ktorej sa venoval Knightov doktorand Artur Ekert. „Pracoval vtedy na zaujímavom protokole prenosu kryptografických kľúčov, založenom na využití korelácií medzi kvantovými systémami."
Pod zložitým názvom si treba predstaviť základné princípy kvantového sveta. Vlastnosti dvoch kvantovomechanicky korelovaných, teda previazaných fotónov od seba závisia.
„Je to vcelku bizarná predstava. Veci sa však majú tak, že lokálne tie dva kvantové systémy nemajú špecifické vlastnosti. Len čo sa však na jeden pozriete, jeho vlastnosti špecifikujete. Z veľkého množstva možností sa potom s istou pravdepodobnosťou realizuje práve jednej výsledok.
Pozorovaný systém ´kolabuje´ do špecifického stavu. Vďaka nelokálnym koreláciám, teda previazaniu, aj ten druhý vzdialený systém nadobudne vlastnosti, ktoré budú jednoznačne korelované s výsledkami pozorovania na prvom systéme."
To môže byť základom kvantovej teleportácie.
Kvantové procesory
„Vezmite si ceruzku," zoberie si Bužek do ruky predmet a až s detskou radosťou v očiach nám ukazuje, ako vlastne kvantový svet funguje.
„Táto ceruzka má vlastnosti rovnaké, či sa na ňu pozeráme, alebo nie. A jej vlastnosti nie sú ovplyvňované ani tým, čo sa deje v Číne alebo krížom cez galaxiu. V kvantovom svete to tak nie je," zdôrazňuje a vysvetľuje, ako v ňom ceruzka nemusí mať lokálne žiadne vlastnosti, prípadne je zmesou všetkých možných. „A jej vlastnosti sú súčasne ovplyvnené aj tým, čo sa deje ďaleko."
To sa dá prakticky využiť, napríklad v kryptografii.
„Kvantové korelácie vám umožňujú absolútne bezpečný prenos kryptografického kľúča. V tomto prípade bezpečnosť nie je založená na matematickej zložitosti, ale na fyzikálnych princípoch. To je úchvatná správa pre všetkých, ktorí potrebujú bezpečný prenos správ."
Vladimíra Bužeka však zaujímajú aj ďalšie veci tejto čudesnej fyziky. Najmä programovateľné kvantové procesory. „Zákony kvantovej fyziky v princípe umožňujú spracúvať informáciu oveľa rýchlejšie ako ktorýkoľvek klasický počítač."
Nedávno sa v odbornej literatúre objavili práce, ktoré menia našu predstavu o spracovaní informácie. Cieľom výskumu je kvantový počítač, ktorý bude oveľa rýchlejší než akýkoľvek klasický počítač. Dôvodom je spôsob, akým kvantové počítače vlastne fungujú.
„Pri normálnom procesore zadá človek úlohu a dostane výsledok. Ak má druhú úlohu, musí ešte raz spustiť počítač," hovorí Bužek.
„Pri kvantovom počítači môžem do vstupného registra zakódovať všetky možné úlohy naraz. A pri jednom zbehnutí dostanem výsledky ku všetkým možným vstupným úlohám.
Samozrejme, žiaden obed nie je zadarmo a problém s kvantovými počítačmi je v tom, že odčítanie výsledku z výstupného registra je zložité. A nielen to. Kvantový počítač je nesmierne krehký - podlieha vplyvom prostredia. Otvorených problémov je stále nesmierne veľa. My sme však vytvorili model, ako programovať takéto kvantové procesory."
Dinosaurus v zoo
Robiť vedu si Bužek pochvaľuje. Myslí si, že takýto život je krásne a privilegované zamestnanie. „Ste intelektuálne veľmi slobodný a zaoberáte sa problémami, ktoré vás skutočne bavia. A ja som celkom hravý," smeje sa. Ale potom zvážnie.
„Neviem síce povedať, aké bude praktické využitie výsledkov základného výskumu. No z pohľadu poznania samotného je takýto výskum nesmierne zaujímavý. Keď zakladatelia kvantovej mechaniky niekedy v 30. rokoch hovorili o kvantovo-mechanických systémoch, neuvažovali o tom, že raz budeme hovoriť o jednom izolovanom atóme. Pre jedného zo zakladateľov kvantovej mechaniky, rakúskeho fyzika Erwina Schrödingera, to bola predstava, ako keby sme hovorilo o dinosaurovi v zoo."
Dnes vedci bez problémov kódujú informáciu do individuálnych kvantových systémov - do stavov atómov, elektrónov, fotónov.
Takto uloženú informáciu vedia spracovať či teleportovať z miesta na miesto. Samozrejme, sú iba na začiatku cesty ku kvantovým počítačom. Na ceste, na ktorej môžu čakať ešte veľa prekvapení.