Daug kas galbūt žino ir atsimena Schrödingerio katę, kuri ir gyva, ir mirusi tuo pačiu metu, – tai garsus minties eksperimentas, kuris mums tarsi pasufleruoja, jog kvantinė fizika yra neįtikėtinai keistas ir paprastiems mirtingiesiems nesuprantamas mokslas. Tačiau štai artėja antrosios kartos kvantinė revoliucija, pakeisianti pasaulį, – ji performuos visuomenę ir ekonomiką, teigia lietuvių fizikė.
Daug kas galbūt žino ir atsimena Schrödingerio katę, kuri ir gyva, ir mirusi tuo pačiu metu, – tai garsus minties eksperimentas, kuris mums tarsi pasufleruoja, jog kvantinė fizika yra neįtikėtinai keistas ir paprastiems mirtingiesiems nesuprantamas mokslas. Tačiau štai artėja antrosios kartos kvantinė revoliucija, pakeisianti pasaulį, – ji performuos visuomenę ir ekonomiką, teigia lietuvių fizikė. Vadinasi, pasaulis ne tik išmoko naudotis kvantinėmis technologijomis, bet jau ir įdarbina jas visu pajėgumu.
Kvantiniai kompiuteriai / „Google“ nuotr.
Kvantinė teorija yra labai keista. Ji teigia, kad toks objektas kaip dalelė ar atomas, kuris laikosi kvantinių taisyklių, neturi realybės, kurią būtų galima nustatyti, kol ji nėra išmatuota. Iki tol jo savybės, pavyzdžiui, momentas, yra užkoduotos matematiniame objekte, vadinamame bangine funkcija, kuri iš esmės sako: jei atliksite matavimą, yra keletas galimų rezultatų. Plėtojant teoriją neišvengiamai kilo klausimas: ką gi daiktas daro prieš tai?
Tiems, kurie nepamena arba nežino, 1935-aisiais austrų fizikas Erwinas Schrödingeris sugalvojo minties eksperimentą, norėdamas atkreipti dėmesį į kvantinės teorijos aiškinimo sunkumus. Jis įsivaizdavo dėžutę su radioaktyviuoju atomu, nuodų buteliuku ir katinu. Radioaktyvusis atomas, valdomas kvantinių taisyklių, bet kuriuo metu gali arba suirti, arba nesuirti. Nežinia, kada tas momentas ateis, bet kai atomas suyra, jis sudaužo buteliuką, išleidžia nuodus ir nužudo katę. Remiantis Kopenhagos interpretacija, prieš atliekant bet kokį matavimą, atomas, taip pat ir katė, yra superpozicijoje: suskilęs (miręs) ir nesuskilęs (gyvas). Čia ir kyla sumaištis dėl kvantinės fizikos, kai kalbame apie katę, kuri vienu metu yra ir gyva, ir mirusi.
Viską pasaulyje reguliuoja kvantinė fizika
Kaip LRT.lt aiškino fizikos mokslų daktarė Mažena Mackoit-Sinkevičienė, kvantinė fizika – tai geriausias mūsų turimas medžiagą sudarančių dalelių prigimties ir jėgų, su kuriomis jos tarpusavyje sąveikauja, aprašymo būdas.
„Paprasčiau tariant, tai yra fizika, kuri paaiškina, kaip viskas veikia. Siekiame atskleisti pačių gamtos statybinių blokų savybes ir elgesį, tirdami medžiagą ir energiją pačiame pagrindiniame lygmenyje“, – sakė mokslininkė.
Anot jos, nors daugelis kvantinių eksperimentų tiria labai mažus objektus, tokius kaip elektronai ir fotonai, kvantinių reiškinių yra visur aplink mus, tačiau mums gali būti sudėtingiau juos įžvelgti didesniuose objektuose.
Fizikos mokslų daktarė teigė, kad dėl to gali susidaryti klaidingas įspūdis, jog kvantiniai reiškiniai yra keisti ar anapusiniai. Iš tiesų, kvantinis mokslas užpildo mūsų žinių spragas, kad gautume išsamesnį mūsų kasdienio gyvenimo vaizdą.
„LRT skaitytojai, mūsų augintiniai, namų durys – visi mes bent jau tam tikrame lygmenyje šokame pagal kvantinės fizikos užduotą melodiją. Kūnai skleidžia šilumą – infraraudonuosius spindulius – tai kvantinė fizika. Žmonės, kurie gamina procesoriaus lustus jūsų kompiuteriui ir išmaniajam telefonui, turi atsižvelgti į kvantinius dėsnius, kitaip procesoriai neveiks, nes visas kompiuterių pasaulis remiasi kvantine fizika.
Ir jei norėsite paaiškinti, kaip elektronai juda per kompiuterio lustą, kaip šviesos dalelės fotonai saulės baterijose ir kolektoriuose paverčiami elektros srove, kaip fotonai sustiprinami lazeryje arba net kaip saulė sugeba nuolat šviesti, tam reikia pasitelkti kvantinę fiziką. Tikriausiai dabar turite kišenėje išmanųjį telefoną ir naudojate kompiuterį.
Šiandienos pažangiųjų lustų kiekviename silicio kvadratiniame centimetre sutelpa dešimtys milijardų tranzistorių – tai pirmosios kvantinės revoliucijos rezultatas. Mūsų kasdienybę valdo technologijos, tiesiogiai susijusios su kvantine fizika, todėl mūsų gyvenimas remiasi kvantinės fizikos esminiais mokslo atradimais“, – LRT.lt dėstė M. Mackoit-Sinkevičienė.
Kvantinių revoliucijų keliais
Mažena Mackoit-Sinkevičienė / N. Garejev nuotr.
Kaip ji pasakojo, kvantinė fizika gimė pirmaisiais 20 amžiaus dešimtmečiais. Netrukus pačios teorijos raida lėmė nepaprastą technologinę sėkmę, labai pakeitusią visuomenę.
Jau matėme pirmąją kvantinę revoliuciją, kuri suteikė mums kasdien naudojamų prietaisų: nuo LED lempučių, kompiuterių ir telefonų tranzistorių iki brūkšninių kodų skaitytuvų ir pažangių medicinos vaizdinimo sistemų, tokių kaip magnetinio rezonanso tyrimai.
„Šiuo metu esame antrosios kvantinės revoliucijos įkarštyje, todėl būtina stiprinti kvantinių technologijų tyrimus, kad šios srities nauda Lietuvai ir pasauliui būtų kuo didesnė.
Dėl fundamentaliųjų ir taikomųjų mokslų šiuolaikinės antrosios kartos kvantinės technologijos leidžia kurti įrenginius, turinčius didelį potencialą teigiamai paveikti mūsų visuomenę, – siūlydami realizuoti kvantinių jutiklių, kvantinių kompiuterių, kvantinės komunikacijos, kvantinės metrologijos prietaisus, kurie yra greitesni, galingesni, tikslesni ir saugesni nei visos tradicinės technologijos, t. y. jie pranoks visus mūsų turimus prietaisus. Ir viskas todėl, kad jau sugebame aptikti ir valdyti pavienius kvantinius objektus.
Pavyzdžiui, kietojo kūno kvantiniai jutikliai jau gali būti naudojami įvairiose srityse, pradedant biojutikliais ir baigiant mikroskopija ir vaizdinimu, padėties nustatymo sistemomis, medžiagų defektų aptikimu, magnetometrija ir termometrija, interferometrija, seismologija ir daugeliu kitų sričių“, – aiškino mokslininkė.
Ji taip pat paminėjo ir vieną įdomesnių taikymo metodų. Tai būtų neinvazinis kvantinių jutiklių panaudojimas žmogaus smegenų vaizdinimui.
Fizikės aiškinimu, kaip ir visos srovės, smegenų generuojami elektriniai impulsai sukuria magnetinius laukus. Šie laukai yra nedideli – vos viena milijardinė Žemės magnetinio lauko dalis, tačiau juos galima aptikti naudojant kvantinius jutiklius.
Kvantiniai jutikliai taip pat naudojami kvantinėje meteorologijoje siekiant aptikti gravitacines bangas ir tamsiąją medžiagą. Arba patikrinti Alberto Einsteino bendrosios reliatyvumo teorijos prognozes bei tai, kad laiko tėkmės greitis priklauso nuo gravitacinio lauko stiprumo.
Mokslininkė patikino, jog tai – tik keli pavyzdžiai iš milžiniško šių technologijų taikymų sąrašo, kuriame yra ir kvantiniai kompiuteriai, ir kvantiniai simuliatoriai, ir kvantinė komunikacija.
„Antrosios kartos kvantinės technologijos gali sukelti naują proveržių bangą, kuri greičiausiai suformuos mūsų ekonomiką ir visuomenę. Ši sritis vis dar sparčiai vystosi ir gali prireikti kelių dešimtmečių, kol technologijos potencialas bus visiškai pademonstruotas ir jos poveikis visuomenei bus matomas.
Tačiau jau dabar galima naudotis keliomis antrosios kartos kvantinėmis technologijomis, o per ateinančius 5–10 metų bus galima naudotis daugybe kitų. Visi šie prietaisai šiandien egzistuoja bent jau kaip prototipai laboratorijose ir laukia, kol bus paversti mums visiems naudingomis priemonėmis. Šiuo metu Europoje yra daugiau nei 147 startuoliai, dirbantys su kvantinėmis technologijomis“, – LRT.lt sakė M. Mackoit-Sinkevičienė.
Taip svarbu, bet taip sunku suprasti?
Kaip teigė fizikos mokslų daktarė, dalelės daugelyje vietų tuo pat metu, dalelių susietumas (supynimas) per atstumą ir katės, mirusios ir gyvos vienu metu, – tai reiškiniai, dėl kurių kvantinė teorija įgijo keistumo reputaciją.
„Visas šis kvantinės teorijos malonumas ir skausmas prasidėjo tada, kai vienas žodis „arba“ buvo pakeistas į žodį „ir“. Taip turime dalelės IR bangos dvilypumo principą: viskas yra dalelės IR bangos tuo pat metu.
Pagrindinis skirtumas tarp makropasaulio ir mikropasaulio: makropasaulyje bangos ir dalelės yra atskiri objektai, mikropasaulyje bangos ir dalelės yra vienas būvis ir yra neatskiriami. Garsus fizikas Richardas Feynmanas pavadino šį „bangų ir dalelių dvilypumą“ vienintele kvantinės fizikos paslaptimi – ta, iš kurios kyla visos kitos paslaptys. Jūs negalite paaiškinti, kaip tai veikia, rašė jis, galite tik pasakyti, kaip tai veikia“, – kalbėjo M. Mackoit-Sinkevičienė.
Ir čia, pastebėjo mokslininkė, prasideda sudėtinga dalis visuomenei, o fizikams – smagiausia.
„Kadangi daugelį kvantinės fizikos sąvokų mums sunku ar net neįmanoma įsivaizduoti, matematika yra būtina šiai sričiai. Lygtys čia naudojamos kvantiniams objektams ir reiškiniams apibūdinti arba padėti numatyti tikslesnius tų reiškinių valdymo būdus, nei gali įsivaizduoti mūsų vaizduotė. Matematika taip pat būtina kvantinių reiškinių tikimybei įvertinti. Pavyzdžiui, elektrono padėtis gali būti nežinoma tiksliai – čia daugelis klasikinės mechanikos lygčių, apibūdinančių daiktų judėjimą ir sąveiką kasdieniais dydžiais ir greičiais, nustoja būti naudingos. Jis gali būti apibūdintas kaip esantis įvairiose galimose vietose, o kiekviena vieta yra susijusi su tam tikra tikimybe ten rasti elektroną.
Kvantinė fizika iš pradžių atrodo keista – dalykai gali būti daugiau nei vienoje vietoje vienu metu, matavimo veiksmas visada trikdo matuojamą objektą, nieko negalime tiksliai numatyti, bet dėl kvantinės fizikos labai sėkmingai aprašomas itin mažas pasaulis – pavienės dalelės ir šviesos kvantai“, – pasakojo M. Mackoit-Sinkevičienė.
Jos manymu, todėl mums tai ir atrodo neįprasta. Kalbame apie pasaulį, kurio nematome kasdieniame gyvenime, iš pradžių neturime tam intuicijos. Tačiau jį galima suprasti skaičiuojant ir modeliuojant sudėtingesnių sistemų evoliuciją ir paaiškėja, kad kvantinės fizikos prognozės yra teisingos. Ir iš tiesų – kvantinės technologijos pakeis pasaulį.
Ir Lietuva įsitraukia į kvantinių technologijų kūrimą
Pašnekovė įvardijo, jog kvantinės technologijos yra pasaulinė niša, o Europa turi senas akademines kvantinės fizikos tyrimų tradicijas.
Dar 2018 m. įsteigus Kvantinį konsorciumą „Quantum Flagship“, Europos Sąjunga (ES) ėmėsi rimtų žingsnių, siekdama įveikti iššūkį būti konkurencinga kvantinių technologijų sektoriuje.
„Norėčiau paminėti, kad kovo 30 d. Lietuvos mokslo ir inovacijų ryšių ir kompetencijos biuro (LINO) ir tarptautinių partnerių dėka Briuselyje buvo organizuotas aukšto lygio renginys „Northern Prospects of Quantum“, kuriame dalyvavo ir Lietuvos kvantinių technologijų komanda. Renginio metu ES ir nacionaliniai politikos formuotojai susipažino ir bendravo su svarbiausiais Šiaurės ir Baltijos šalių ekosistemos lyderiais, darančiais didžiausią poveikį mokslui ir pramonei.
Lietuvos kvantinių technologijų komanda, sudaryta iš Vilniaus universiteto, Fizinių ir technologijos mokslų centro mokslininkų ir verslo „Novian Technologies“ atstovų, pristatė Lietuvos kvantinio mokslo ir technologijų žemėlapį ir išryškino galimas bendradarbiavimo sritis“, – pasidžiaugė M. Mackoit-Sinkevičienė.
Mokslininkė teigė, jog šio renginio dalyviai sutarė, kad darbui kvantinių technologijų srityje reikalingi nuolatiniai koordinuoti veiksmai regioniniu ir ES lygmenimis. Nacionalinės kvantinės iniciatyvos turi padėti rasti bendrų veiklos sričių, kurios leistų veiksmingiau integruotis į įvairias ES ir pasaulio kvantines iniciatyvas.
