Informatyka (ang.computer science) jest bardzo oryginalnym stopem, co najmniej trzech dziedzin :matematyki, fizyki i technologii. I zajmuje się głównie przetwarzaniem informacji oraz technologiami konstruowania systemów przetwarzających informację.
I właśnie w tych technologiach ukryta jest najsilniej fizyka, gdyż systemy przetwarzania to komputery, a te z kolei są zdeterminowane przez fizykę. Przetwarzanie informacji sprowadza się do stosowania różnego rodzaju spójników zdaniotwórczych dwuargumentowych takich jak: implikacja, alternatywa, koniunkcja, równoważność ,których w klasycznym rachunku zdań jest 24 , oraz spójników jednoargumentowych, np. negacja, których jest w KRZ tylko 4.
Spójniki i ich działanie na wartościach logicznych zdań mają swoje fizyczne reprezentacje, których działanie modeluje operacje formalne na zdaniach. Pierwotnie modelami fizycznymi spójników zdaniotwórczych były przekaźniki elektromagnetyczne (ich stany i zmienność ych stanów) ,montowane w układy zwane do dzisiaj “bramkami logicznymi” ,następnie lampy elektronowe a obecnie układy tranzystorów (procesory) lub ogólnie – układy mikroelektroniki.
Od prawie ćwierćwiecza formuje się powoli nowa informatyka zwana kwantową informatyką. Jeszcze nie istnieje –w znaczącym stopniu- jej faza komercyjna. Używając analogii do medycyny, informatyka kwantowa jak na razie, jest w fazie badań klinicznych.
Czym jest kwantowa informatyka?Skrótowo pisząc, w informatyce tej wykorzystuje się do przesyłania informacji - stany układów kwantowych. Czym jest “ układ kwantowy” lub bardziej żargonowo: ”układ kwantowo-mechaniczny” ?Takim układem jest każda cząstka elementarna lub jej zespół.. Mamy więc do czynienia z obiektami szalenie małymi, obiektami mikroświata. Stan kwantowy takiego obiektu (najczęściej jest to foton-kwant pola elektromagnetycznego) opisuje funkcja falowa “Psi”, często zwana wektorem stanu[1].W informatyce klasycznej jednostkami informacji są bity. W kwantowej informacji jednostkami są kubity.
Kubit jest to najmniejsza i niepodzielna jednostka informacji kwantowej. Nazwa pochodzi z połączenia angielskich słów quantum i bit. Jest to kwantowomechaniczny układ, który w przeciwieństwie do bitu- klasycznej jednostki informacji- nie przyjmuje wartości 1 lub 0, lecz znajduje się w jakimś stanie pośrednim wyznaczonym przez kwantową superpozycję stanów czystych. Rządzi nim bowiem funkcja falowa “psi”, która reprezentuje prawdopodobieństwo stan układu.
Kubit jest kwantową superpozycją zera i jedynki. Kubit niesie w sobie naraz o wiele więcej informacji niż zero-jedynkowy bit. Dlatego komputer przetwarzający informację kwantową jest w stanie wykonać równolegle ogromną liczbę operacji nieporównywalną z liczbą operacji wykonywanych przez maszynę opartą o klasyczną informację..
Kwantowa informacja posiada niezwykłą cechę: nie można jej skopiować. Tym się właśnie różni od klasycznej informacji, którą kopiowali średniowieczni kopiści, od informacji zapisanej w książce(druk) lub informacji, która krąży w internecie.
Kiedy przesyłamy pojedyncze fotony losowo spolaryzowane (czyli stany kwantowe)według wcześniej opracowanego protokołu zaszyfrowania informacji przekazywanej stanami tych fotonów, to ewentualny “włamywacz”-badacz nie jest w stanie skopiować ów stan, bez jego zaburzenia. Dokonanie pomiaru na kubicie w sposób trwały zmienia wartość kubitu.
Ingeruje słynna , stara zasada nieoznaczoności Heisenberga orzekająca, iż każdy akt pomiaru nad układem kwantowym zaburza jego stan o wartość “rozmytą”. Każda więc próba włamania może być wykryta przez tandem :”nadawca-odbiorca”.
W pierwszym kroku kwantowej kryptografii, Bennet w połowie lat 90-tych (wspólnie z Wiesnerem i Brassardem) tworzy słynny protokół szyfrowania informacji wykluczający podsłuch oraz kwantowy dystrybutor klucza[2,3].
Opiera się on, na znanym od roku 1927 efekcie “splątania kwantowego” dwóch układów kwantowych, odkrytym teoretycznie przez E.Schroedingera, i przedyskutowanym szczegółowo przez A.Einsteina, E.Rosena, i R.Podolskiego w latach 1939-1948 .
Splatanie kwantowe stanów potwierdził doświadczalnie zespół Antona Zeilingera w latach 1995-8 i nazwany został teleportacją kwantową.
Czym jest splątanie kwantowe (ang. quantum entanglement) [4] i teleportacja kwantowa?[5]
Jeżeli mamy układ dwóch co najmniej obiektów kwantowych (cząstek lub fotonów), to musimy równanie Schroedingera tak zmienić, by funkcja falowa “psi” opisywała cały układ, a nie każdy składnik z osobna. Kiedy uzyskamy dokładną postać takiej funkcji, to wtedy wyjdzie na jaw jej holistyczny charakter. Funkcji falowa “psi” układu dwóch co najmniej obiektów kwantowych (np.fotonów) decyduje o tym, że zawsze mamy do czynienia z “splątaniem kwantowym”.Wystarczy, że jedna cząstka zmieni swój stan, a wszystkie pozostałe muszą też zmienić swoje stany kwantowe, gdyż są takie same oraz rządzi nimi taka sama, jedna funkcja falowa. Wzajemny wpływ obiektów tworzących układ kwantowy, nie zależy od odległości między nimi, oraz wpływ ten jest natychmiastowy, czyli oddziaływanie wzajemne (jeśli takowe jest według naszego tradycyjnego rozumienia) rozprzestrzenia się z nieskończenie wielką prędkością.
Stan splątany, jest więc pewnego rodzaju korelacją kwantowych stanów dwóch lub więcej cząstek(np. fotonów) i ma tę własność, że stan całego układu jest lepiej określony niż stan jego części (pojedyncze, osobne cząstki).
Na przykład, istnieje stan splątany polaryzacji dwóch fotonów, który ma taką właściwość, że jeżeli będziemy mierzyć polaryzacje obu fotonów, używając dwóch identycznie ustawionych, ale odległych od siebie polaryzatorów, to zawsze otrzymamy dwie przeciwne polaryzacje. Natomiast zmierzone polaryzacje każdego z fotonów z osobna są zupełnie przypadkowe.
Splątanie stanów kwantowych nie zanika wraz z odległością ustawionych polaryzatorów i w latach 90-tych ub.w. stwierdzono splątanie pomiędzy fotonami odległymi od siebie o kilkanaście kilometrów , a w roku 2002 pomiędzy Genewą i Lozanną (68 km).[6]
I oto dzięki splątanej parze cząstek, można przesłać za pomocą jednego kwantowego bitu (np. fotonu o dwóch polaryzacjach) nie jeden, ale dwa bity informacji. Stąd nazwa odkrycia - gęste kodowanie na odległość czyli teleportacja kwantowa.. Jest to proces, w którym przenosi się szczególną cechę cząstki – kwantową informację w ten sposób, że zostaje ona zniszczona na jednej cząstce a odtworzona na innej znajdującej się w odległym laboratorium. Można tego dokonać mając do dyspozycji parę splątanych cząstek oraz możliwość zakomunikowania klasyczną drogą (np. przez telefon) dwóch bitów informacji.W roku 1993 Charles Bennett z grupą współpracowników zaproponował szczegółową metodykę postępowania pozwalającą wykonać teleportację stanu kwantowego. Wyjaśnię ją na przykładzie hipotetycznego eksperymentu w kraju.Do teleportacji obiektu kwantowego , na przykład fotonu P(1) o określonym spinie z Warszawy do Krakowa potrzebne jest, by w Krakowie, ktoś dysponował fotonem P(2) pozostającym w splątaniu kwantowym z fotonem P(3) w Warszawie. Uwaga: mamy trzy fotony P(1), P(2) i P(3) z tym, że fotony P(2) i P(3) są kwantowo splątane.Najpierw wykonujemy łączny pomiar na fotonach P(1) i P(2) w Warszawie i to nielokalne zaburzenie funkcji falowej wywiera wpływ na foton P(3) w Krakowie. Następnie ,wynik pomiaru z Warszawy jest przekazany klasycznie drogą telefoniczną ,(radiową) do Krakowa, gdzie następuje etap końcowy- operacja dopasowania P(3) do stanu A. Tym samym mamy dwa fotony P(2) i P(3) odległe od siebie w tych samych stanach.Powtarzając rozumowanie Bennetta twierdzimy, że dzięki splątaniu pomiędzy P(2) i P(3) ,zaburzenie aktem pomiarowym w Warszawie znajdzie idealne odbicie w odległym fotonie P(3) w Krakowie. Obydwa fotony P( 2) i P(3) są identyczne ,nie znamy jednak, jaki był stan P(2) przed zaburzeniem. Zniszczenie fotonu P(2) w Warszawie jest równoważne z jego pojawieniem się w Krakowie.Odrębną kwestią techniczną jest szyfrowanie kwantowe przekazywanej informacji również za pomocą teleportacji stanów splątanych oraz wymiana kluczy miedzy nadawcą informacji a odbiorcą. Powstały pierwsze algorytmy (protokoły) szyfrowania i kluczy. .Komercyjne zestawy kwantowych dystrybutorów klucza dla kwantowej kryptografii pojawiły się już w 2000 roku na targach w Hannowerze. Jednakże splątanie kwantowe w postaci czystej, podobnie jak czyste pierwiastki, rzadko występuje w przyrodzie. Prawie zawsze mamy do czynienia z tzw. szumem, który przesłania splątanie i uniemożliwia jego teleportację oraz gęste kodowanie. Pojawił się więc problem, jak wydobyć czyste splątanie z “zaszumionego” ?Zespół Bennetta, jako pierwszy na świecie opracował protokół destylacji splątania z tła szumowego. Ale w kilka lat później słynna grupa badawcza z Uniwersytetu Gdańskiego odkrywa istnienie w przyrodzie stłumionego szumem kwantowe splątenie układów, którego nie można wydestylować do czystej postaci.
W Krajowym Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Toruniu, prowadzone są badania nad powodowanymi przez zakłócenia procesami dekoherencji par splątanych i ich wpływu na przesyłanie informacji. Trwają także prace nad konstrukcją bardziej wydajnych źródeł par splątanych.
Na możliwość budowy komputerów wykorzystujących prawa fizyki kwantowej zwrócił uwagę na początku lat 89-tych P.Benioff z Argonne National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. Kompletną teorię działania komputera kwantowego, to znaczy, komputera z kwantowymi bramkami logicznymi oraz algorytmem probabilistycznym przedstawił w połowie lat 80-tych D.Deutsch na uniwersystecie oxfordzkim.
Podstawowymi elementami budowy kwantowego komputera są kwantowe bramki logiczne.[7] Pod koniec 1995 roku grupa prof. H. Jeffa Kimble'a z Kalifornijskiego Instytutu Technologii w Pasadenie zbudowała kwantową bramkę logiczną za pomocą atomu cezu złapanego w optycznej pułapce pomiędzy lustrami. Funkcje kubitów pełniły fotony światła o różnej polaryzacji.
Natomiast w Kolorado w Narodowym Instytucie Standardów i Technologii w Boulder wykorzystano atom berylu oświetlany promieniem lasera.
W roku 2007 zaprezentowano (USA) układ zwany komputerem z rejestrem kwantowym, który wykonuje dowolną ilość operacji na wszystkich danych naraz, natychmiastowo ,bez mierzalnej sekwencji czasowej.
Rozmyślając nad tymi osiągnięciami technicznymi, których istota polega na manipulacji obiektami subatomowymi, nie należy pominąć lub przeoczyć następującego paradoksalnego faktu: kwantowa informatyka i komputery kwantowe wykorzystują zjawisko splątania kwantowego, którego natura ontyczna jest całkowicie nie rozpoznana: tak naprawdę, to my nie wiemy, czy to zjawisko rzeczywiście istnieje. Znamy tylko pewien schemat matematyczny w odniesieniu do pewnej klasy obiektów i zjawisk świata wewnątrz atomowego i wykorzystując go ,budujemy urządzenia, które działają!
Nie ma przecież zgody wśród fizyków, czy istnieje rzeczywistość kwantowa opisywana schematem formalnym QM (superpozycja stanów, kolaps funkcji “psi” w aktach pomiaru, skoki kwantowe) .Tak zwane niekonwencjonalne ontologie świata kwantowego są nadal w ostrym sporze z realizmem, a jednak poza tym sporem, technologie kwantowe – w tym informatyka kwantowa- postępują na drodze kolejnych sukcesów. Może więc coś na rzeczy było w znanym powiedzeniu S.Hawkinga:
“Nie wymagam ,żeby teoria odpowiadała rzeczywistości ,ponieważ nie wiem co to jest rzeczywistość. Wszystko co mnie interesuje ,to pytanie, czy teoria jest w stanie przewidzieć wyniki pomiarów”.[8]
Inaczej pisząc- niektórzy fizycy mają gdzieś “gadaninę “ ontologów. I – moim zdaniem- wykluczają tym samym fizykę z kultury ludzkiej. A może się mylę?
Literatura [1] R.Penrose, Droga do rzeczywistości,Warszwa,2007,s.471-488[2] Charles H. Bennett and Stephen J. Wiesner, "Communication via 1- and 2-Particle Operators on Einstein-Podolsky- Rosen States"
Phys. Rev. Lett. 69, 2881-2884 ,1992[3] C.H. Bennett, G. Brassard, C. Crepeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. Wootters, "Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels"
Phys. Rev. Lett. 70, pp 1895-1899, 1993[4] R.Penrose,loc.cit.s.552-570[5] R.Penrose,loc.cit.s.571-580[6] A. Zeilinger,and.... Towards a long distance Bell-experiment with independent observers, Experimental Metaphysics ,pp. 271 – 280, Dordrecht ,1997.[7] G.Milburn, Inżynieria kwantowa, Warszawa,1999,s.165-193[8] S.Hawking,R.Penrose,The nature of Space and Time,Princeton,1996.Wyd.polskie:Natura czasu i przestrzeni,Poznań,1998
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
