„Ten, kur yra elektronika, moderniosios technologijos, praktiškai visur yra kvantinės technologijos“, – įsitikinęs KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto Fizikos katedros profesorius, habilituotas daktaras Arvaidas Galdikas, sutikęs dalyvauti laidoje „Mokslininkai kalba“.
„Ten, kur yra elektronika, moderniosios technologijos, praktiškai visur yra kvantinės technologijos“, – įsitikinęs KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto Fizikos katedros profesorius, habilituotas daktaras Arvaidas Galdikas, sutikęs dalyvauti laidoje „Mokslininkai kalba“.
Asociatyvi „Pixabay“ nuotr.
Pokalbyje profesorius paaiškina, ne tik kas iš esmės yra toji kvantinė fizika bei kuo ypatingos kvantinės technologijos, tačiau kaip tai veikia mūsų kasdienybę ir būsimą ateitį. A. Galdiko manymu, nepaisant didelių mokslo atradimų, tam tikra prasme šiuolaikinė žmonija vis dar panaši į akmens amžiaus protėvius, kurie gebėjo ieškoti, medžioti ir kautis dėl gėrybių, tačiau dar nemokėjo jų gaminti patys. Taigi apie ką tiksliau kalba mokslininkas? Jūsų dėmesiui – ištrauka iš interviu.
– Visai nieko neišmanančiam šios srities, išgirdus terminą kvantinė fizika, pakvimpa moksline fantastika. Gal galėtumėte papasakoti, kas yra kvantinė fizika ir ką svarbiausio turėtumėme žinoti, kad suprastume šio mokslo esmę ir prasmę?
– Kvantinė fizika, kurios pradininkai buvo Maksas Plankas ir Albertas Einšteinas, atsirado maždaug prieš 100 metų. Pats žodis kvantinė, reiškia, kad ji yra kvantuota ir tuomet kalbame apie dalelių energiją, kuri iš esmės skiriasi nuo klasikinių dalelių. Klasikinėje fizikoje kvantavimo nėra, nes dalelių energija priklauso nuo greičio, ir kaip žinome, dalelė gali judėti bet kokiais greičiais.
Kitas dalykas, kuris kelia daugiausia neaiškumų yra tas, kad turime suprasti, jog tas pats objektas gali turėti ir bangos, ir dalelių savybių. Aš kartais su studentais juokauju: matome, kad jūra banguoja ir šalia yra akmuo. Ar jie panašūs? Ir, žinoma, visiems atrodo, kad ne, nes bangavimas nepanašus į akmenį. Bet kvantinėje fizikoje, mikrodalelių fizikoje, kalbant apie elektronus, fotonus, mezonus, pijonus ir dar 300 rūšių dalelių, – jos turi tas pačias savybes, todėl jūros banga yra ir banga, ir dalelė.
Iš to ir išplaukia kvantinės fizikos keistumas, kad savyje reikia sutapatinti dalelių ir bangų dalumą. Mes visada bandome suprasti reiškinius, kuriuos mes matome arba esame patyrę, tačiau šiuo atveju mes nesuprantame, kaip akmuo gali būti panašus į bangavimą ir tam mes pasitelkiame matematiką. Tam sukuriame matematinį modelį, šiuo konkrečiu atveju – Šriodingerio lygtį, kurią turime kvantinėje fizikoje. Tai yra tikimybinė lygtis, kuri leidžia apskaičiuoti dalelės padėtį. Bet tuomet atsiranda kita problema – kvantinės dalelės padėties mes negalime apskaičiuoti, galime apskaičiuoti tik tikimybę, kad ta dalelė yra kažkurioje erdvės vietoje ir galime suskaičiuoti, kur ta tikimybė yra didžiausia.
A. Einšteinas sako, kad Dievas nežaidžia kauliukais. Kauliukai tai dėl to, kad mes negalime tiksliau nusakyti, kur yra. Kad ir tas pats elektronas – mes galime apskaičiuoti tik tikimybę, kur jis yra. A. Einšteinui ta tikimybė nepatiko, jis bandė sukurti labiau apibrėžtą teoriją, bet jam to padaryti taip ir nepavyko.
– O kur taikomi kvantinės fizikos sprendimai, technologijos? Kur kvantinės fizikos ženklų galėtumėme rasti mus supančioje aplinkoje? Ir kaip kvantinės technologijos gali pakeisti mūsų gyvenimus?
– Kvantinės technologijos? O kur jos netaikomos? Ten, kur yra elektronika, moderniosios technologijos, praktiškai visur yra kvantinės technologijos. Netgi galime kalbėti apie visus prietaisus, kurie naudoja elektros srovę. Yra toks paprastas dalykas kaip elektrinė varža. Šis terminas dažnai sutinkamas ir klasikinėje fizikoje, bet klasikinė fizika neatsako į klausimą, kas yra varža. Kita vertus, klasikinės fizikos ir nereikėtų klausti, kas yra varža, nes pradedant apie tai kalbėti, jau reikia kvantinės fizikos. Tada mums tampa reikalinga kietojo kūno teorija, kurioje yra paaiškinimas, kad dėl elektronų ir fononų sąveikos atsiranda varža. Ir tai yra visiškai kvantiniai dalykai – net visos technologijos, kuriuose teka elektros srovė, irgi yra kvantinės technologijos.
Viena svarbiausių kvantinių technologijų, be kurios nebeįsivaizduojame savo gyvenimo, yra lazeriai. Lazeris yra dažniausiai taikoma kvantinė technologija, kuri sukurta A. Einšteino teorijos pagrindu. Jis maždaug 1920 m. numatė tam tikrus stimuliuotus elektronų šuolius ir šiai jo teorijai įgyvendinti prireikė maždaug 40 metų. Lazeriai sukurti buvo maždaug 1960 m., tad įsivaizduokite, kiek laiko reikėjo, kad galėtume juos plačiai taikyti.
Šiandien gyventi be lazerių būtų sudėtinga, net nusipirkti maisto produktų taptų sudėtinga, nes ir kasoje lazeris skaito brūkšninį kodą. Kvantinė fizika neaplenkia ir medicininių technologijų, pavyzdžiui, rentgeno spindulių diagnostika. Ten, kur šviesa, ten ir kvantinė fizika; ten, kur elektra, ten ir kvantinė fizika.
– O kaip, Jūsų manymu, kvantinė fizika keitė ir keičia pasaulį, pramonę ir verslo sprendimus?
– Aš visada galvoju, kad prie kvantinių technologijų reikėtų pridėti ir branduolines technologijas, nes branduolio fizika irgi yra kvantinės fizikos dalis. Kaip branduolinės technologijos keitė pasaulį? Ta pati branduolinė energetika, atominės elektrinės ir dabar, deja, tenka vėl iš naujo galvoti apie atominių bombų pavojų. Bet į branduolines technologijas reikėtų žiūrėti plačiąja prasme, nes yra ir branduolinė medicina, kurios dėka galime atlikti įvairiausius tyrimus panaudojant branduolines technologijas.
Kalbant apie ateitį, tai man vis knieti prisiminti viduramžių alchemikus, kai jie norėjo iš paprasto nekilmingo metalo pagaminti auksą. Ir reikėtų paminėti, kad jie nebuvo neteisūs. Nes iš tikrųjų, bendrąja prasme kalbant, galima iš bet ko pagaminti auksą. Egzistuoja branduolinės reakcijos, elementariųjų dalelių virsmai. Pavyzdžiui, gyvsidabrį apšvitinus elektronais, jis turėtų virsti į aukso branduolius. O mes daug dėmesio skiriame iškasenoms: ieškome ličio, volframo ir visokių kitokių iškasenų. Man tai primena akmens amžiaus žmones, kai dar nebuvo žemdirbystės, ir jie nemokėjo užsiauginti maisto produktų, tad eidavo jų rinkti. Vieni buvo medžiotojai, kiti – maisto rinkėjai. Tai mes irgi dabar, kalbant tų branduolinių technologijų atžvilgiu, esame rinkėjai, kuriems dar reikia ieškoti iškasenų, kasinėti kalnus, o pasigaminti patys dar negalime.
Manau, kad kalbant apie ateitį, ji yra būtent tų branduolinių technologijų, elementariųjų dalelių virsmas. Ir nereikėtų mums tada kreiptis į kažkokias priešiškas valstybes, kad gautume naudingų iškasenų – viską galėtumėme pasidaryti patys. Net tą patį benziną galima padaryti iš oro, nes benzinas yra angliavandenilis. Anglies pilna yra ore, vandens irgi yra, tad galėtumėme gamintis ir nereikėtų mums ieškoti kažkokių šalių, kurios turi daug naftos. Tokia būtų ateitis.
Grįžtant prie tų reakcijų, kur pasakojau apie viduramžių alchemikus, ten yra reikalingos aukštos temperatūros. O temperatūra yra dalelių greičiai. Atomų branduoliai nenori jungtis, kadangi jos yra teigiamos dalelės, tą patį krūvį turinčios dalelės. Tai jos tiesiog stumia viena kitą ir reikia didžiulių temperatūrų, kad jos pradėtų judėti tokiais dideliais greičiais ir įsijungtų branduolinė trauka. Branduolinės jėgos yra stipresnės, bet jos veikia mažesniame atstume. Todėl tas daleles reikia suartinti, bet tą galima daryti su elektriniais magnetiniais laukais. Tai yra daroma CERN laboratorijose, kuriuose tie branduoliniai tyrimai yra atliekami.
Šiandien apie tas elementariųjų dalelių virsmų reakcijas galbūt per anksti kalbėti, bet aš manau, kad pasaulis ta kryptimi vystosi. Jeigu kalbame apie kvantines technologijas, tai manau, kad viena iš tokių galėtų būti ir ši.
– Kalbant apie kvantinę fiziką, tenka išgirsti ir kvantinio kompiuterio sąvoką. Kas yra tas kvantinis kompiuteris ir ką jis pajėgia daryti? Kokia šios technologijos ateitis?
– Kompiuteris yra greitis. Mums svarbiausia, kad kompiuteris kuo greičiau atliktų skaičiavimus. Aš atlieku mokslinius skaičiavimus, nagrinėju dalelių sistemas. Vienam laše yra 1019 laipsniu dalelių. Dabar net geriausius kompiuterius sujungus į tinklą, geriausiu atveju neblogus skaičiavimus galima atlikti su milijonu dalelių, o tai yra 106 laipsnyje. Tai įvertinkite, kiek mums dar reikia, kad galėtume normaliai atlikti mokslinius skaičiavimus, ir pasiektume tą 1019 laipsnyje. Ir tada jau galėtumėme nagrinėti vieno vandens lašo dydžio sistemą, bet mums reikia dar didesnių sistemų. Taigi, mums reikia greičio, o greitį gali užtikrinti galbūt tas kvantinis kompiuteris.
Plačiąja prasme, ir dabartinis kompiuteris yra kvantinis, nes jame yra dvejetainė sistema, nuliukai ir vienetukai, tai yra diskretinės būsenos. Kvantinis kompiuteris būtų toks, kuris naudotų atomus. Atomai turi daug būsenų, elektronai gali būti skirtingose būsenose ir tų būsenų yra labai daug.
Bet noriu šiek tiek skeptiškai kalbėti apie kvantinį kompiuterį, nes kai aš dar buvau doktorantūros studentas, gal 1990 m. jau kalbėjo, kad kvantinis kompiuteris bus sukurtas maždaug 2012 metais. Akivaizdu, kad šie užmojai jau vėluoja 10 metų. Kažkokie žingsniai yra, bet, kad tai būtų plačiai taikoma technologija – to nėra, nors buvo kalbama, kad jau 2012 metais plačiai taikysime kvantinius kompiuterius. Tai čia siūlyčiau žvelgti šiek tiek atsargiau.
Išsamesnį pokalbį su A. Galdiku žiūrėkite čia:
