Realita kvantových paralelných vesmírov

Predstavme si, že by existovali paralelné svety a že by sme vedeli vytvárať mosty medzi naším vesmírom a susednými paralelnými vesmírmi. Mohli by sme nahliadnuť, ako to u "susedov" vypadá. Nie je to tak fantastická myšlienka, akou sa na prvý pohľad zdá byť! Súčasná fyzika, napriek tomu, že sa vzletným pomenovaniam ako paralelné svety vyhýba, ich pozná. Oblasť vedy, ktorá sa nimi zaoberá, t. j. kvantová teória, je najúspešnejšou fyzikálnou teóriou vôbec.

Kvantovomechanické poučky uvedené do dôsledkov predpovedajú, že aj makroskopické objekty, pokiaľ sa nimi narába dostatočne pozorne, musia vykazovať kvantové vlastnosti, čo inými slovami značí, že môžu existovať vo viacerých stavoch súčasne. Odtiaľ je len krok ku konštatovaniu, že aj vesmír ako celok môže existovať vo viacerých verziách súčasne, a teda je len prirodzené očakávať, že tieto iné vesmíry sa s väčšou či menšou pravdepodobnosťou "odohrávajú" paralelne popri našom vesmíre! Autorom fantastických románov teda nič nebráni v tom, aby ďalej chovali viac či menej priateľských mimozemšťanov v paralelných dimenziách. Avšak skutočné dobrodružstvo vyplývajúce z existencie paralelných vesmírov sa skrýva, dovolím si tvrdiť, kdesi úplne inde.

PRINCÍP SUPERPOZÍCIE

Napriek všetkým prekvapeniam, ktoré by nám prípadné nahliadnutie do paralelných vesmírov mohlo pripraviť, žiadne z nich sa zrejme nemôže zrovnávať zo šokujúcimi skutočnosťami, vyplývajúcimi z aplikácie kvantovej teórie na informačné technológie. Kľúčovým princípom je práve kvantový paralelizmus: kvantový počítač nie je "kvantový" preto, že narába s "kvantami" energie, t. j. fotónmi alebo elektrónmi (napokon, s takýmito kvantami narábajú aj klasické počítače), ale preto, že v ňom možno uplatniť základný princíp kvantovej teórie, t.j. princíp superpozície. Ak Ψ₁ a Ψ₂ sú prípustné kvantové stavy systému (sú to riešenia Schrödingerovej rovnice, opisujúcej daný kvantový systém), potom aj stav daný superpozíciou týchto dvoch stavov, čiže stav Ψ=Ψ₁+Ψ₂, je prijateľným stavom, v ktorom sa môže tento fyzikálny systém nachádzať. Aplikovaním matematickej indukcie potom prídeme k záveru, že aj stav daný superpozíciou troch, štyroch, atď., t. j. ľubovoľného množstva základných (bázových) stavov je prijateľný stav, v ktorom sa daný fyzikálny systém môže nachádzať.

VLNOVÁ FUNKCIA ČASTÍC

Znie to možno trochu komplikovane, a trochu komplikované to aj je, keď sa opýtame, ako to možno "namerať". Avšak v princípe to nie je nič iné než konštatovanie, že každá častica či súbor častíc či ľubovoľný fyzikálny systém sa môže nachádzať v rôznych stavoch zároveň, t. j. môže byť na dvoch priestorovo vzdialených miestach zároveň, alebo môže súčasne nadobúdať rozdielne energie či hybnosti... Keďže budeme o kvantových systémoch hovoriť vo všeobecnosti, budeme všetky merateľné fyzikálne vlastnosti, akými sú napr. poloha, energia, hybnosť, spin atď. označovať pojmom pozorovateľná (pozor, je to podstatné meno, nie prídavné!). Ak interval pozorovateľných nadobúda spojitý charakter (napr. poloha elektrónu v atóme má spojitý charakter, zatiaľčo jeho energia môže nadobúdať iba určité diskrétne hodnoty), hovoríme o vlnovej funkcii častice, ktorá môže prebiehať celým priestorom polôh alebo hybností. Nech nás však nenavádza pojem vlnová funkcia myslieť si, že ide o nejaký priestorom šírený "objekt" kauzálne viazaný na zdrojovú časticu. Podobnú vlnovú funkciu možno totiž pripísať aj iným pozorovateľným, ktoré nie sú "priestorové", napr. energii, hybnosti, ale aj času nejakého deja. Avšak nie je to ani vymyslená "matematická konštrukcia", aj keď sa s podobnou argumentáciou môžeme často stretnúť. Vždy si treba uvedomiť, že za vlnovou funkciou sa skrýva úplne reálna paralelná existencia nesmierneho počtu možností výskytu častice s danou hodnotou pozorovateľnej, pričom jednotlivé hodnoty pri meraní nachádzame s väčšou či menšou pravdepodobnosťou. (V odbornej literatúre sa hovorí o váhe resp. význame alebo "amplitúde pravdepodobnosti" jednotlivého stavu.) A najlepšie, ako si to všetko predstaviť a nezblázniť sa načisto pri takom intelektuálnom výkone, je predstaviť si nesmierne množstvo paralelných vesmírov, ktoré vždy obsahujú danú časticu s jedinou hodnotou napr. polohy alebo energie, tak, ako sme zvyknutí z klasickej fyziky. Vlnovú funkciu potom chápeme ako súčet teda superpozíciu týchto jednotlivých vesmírov, ktoré sú však určitým spôsobom v tomto súčte váhované (sú im prisúdené rôzne amplitúdy pravdepodobnosti).

SPOR O INTERPRETÁCIU

Interpretácia kvantovej teórie založená na predstave paralelných vesmírov, ktorú zaviedol Hugh Everett III v päťdesiatych rokoch, nie je pravda jediná možná. Pozorovateľné fakty veľmi dobre vystihuje už Schrödingerov alebo Heisenbergov obraz interpretovaný Bohrom a Bornom (známa Kodaňská interpretácia), kde sa však merací prístroj vždy opisuje klasicky, ako keby sa meracie prístroje a pozorovatelia, ktorí ich používajú, neskladali z tých istých elektrónov a protónov, ktoré sú nimi pozorované! Okrem toho sa neustále objavujú pokusy vysvetliť kvantové javy čisto klasickou teóriou založenou na tzv. skrytých parametroch, ktoré podľa týchto predstáv unikajú priamemu meraniu, avšak v súčinnosti vedú k pozorovanému "podivnému" správaniu kvantových objektov.

Veľmi významným pokrokom v interpretácii kvantovej teórie zo sedemdesiatych a osemdesiatych rokov bolo preto stále presnejšie overovanie tzv. Bellových nerovností. Bell ukázal, že nech už je mechanizmus skrytých parametrov akýkoľvek, museli by pozorovateľné určitých párov častíc spĺňať kritériá dané nerovnosťami (niečo ako známa trojuholníková nerovnosť – vzdialenosť bodov A a C je vždy menšia ako A a B plus B a C). Experimenty ukázali, že nerovnosť možno porušiť – a to sa v klasickej mechanike nemohlo stať! Zároveň sa preukázalo, že vzdialenosť častíc, ktorých stavy sú kvantovo previazané (v angličtine entangled), nehrá prakticky žiadnu úlohu – spočiatku to boli rádovo rozmery laboratórnych stolov, dnes sa experimenty s kvantovo previazanými časticami uskutočňujú na vzdialenosti desiatok kilometrov. Kvantová mechanika tak stráca povesť "teórie mikrosveta".

ZA HRANICE KLASICKÉHO SVETA

To že s kvantovými superpozíciami je potrebné narábať ako s fyzikálnou realitou, a nie iba ako s abstraktnou myšlienkovou konštrukciou, je možné najlepšie postrehnúť práve na predstave kvantového počítača: kvantový počítač by predsa bez reality kvantového paralelizmu nemohol prinášať výsledky!

Môžeme pre ilustráciu vytvoriť myslený kvantový počítač o stavovom slove dĺžky 256 qubitov (qubit, z anglického quantum bit, môže nadobúdať nielen bázové stavy 0 a 1, ale aj ich superpozíciu a₀0+a₁1, kde a₀a a₁ sú ľubovoľné komplexné čísla). To nie je zďaleka nepredstaviteľné množstvo – môže byť realizované napr. ako retiazka 256-ich atómov v lineárnej iónovej pasci alebo vo forme 256-ich kvantových bodov v polovodičovom materiáli. Ak by informačným médiom mali byť fotóny (logickú 0 by mohla v takom prípade reprezentovať horizontálna polarizácia fotónu a logickú 1 vertikálna), mohli by sme ľahko spozorovať dátovú zbernicu vo forme 256-ich optických vlákien nie nepodobnú zberniciam klasických počítačov... avšak tu sa podobnosť asi končí, pretože to, čo nasleduje, prekonáva všetko, čo pozná klasická fyzika spolu s klasickou logikou!

Ak jeden qubit možno dať do superpozície jeho dvoch základných stavov 0 a 1, potom dva qubity do superpozície štyroch základných stavov 00, 01, 10 a 11, tri qubity do superpozície ôsmych... Teda 256 qubitov môže reprezentovať paralelný výskyt 2²⁵⁶ jednotlivých bázových stavov a takto pripravený kvantový počítač sa svojím výpočtovým výkonom rovná klasickému paralelnému superpočítaču s 2²⁵⁶ jednotlivých procesorových uzlov. Takýto paralelný počítač však nie je a nikdy nebude možné zostrojiť, pretože vo vesmíre nie je toľko jednotlivých atómov (vo vesmíre je asi 10⁸⁰ = 2²⁶⁵ nukleónov)!

Takéto nekompromisné víťazstvo kvantovej reality nad klasickými predstavami si bude musieť na svoju praktickú realizáciu ešte nejaký čas počkať, pretože stavba kvantového počítača je po teoretickej a inžinierskej stránke veľmi náročná. Skôr než o 10-20 rokov sa s ňou ani neuvažuje. Avšak jedného dňa tu nepochybne toto čudo riešiace klasickými prostriedkami neriešiteľné problémy bude a my budeme musieť, chtiac-nechtiac, pripustiť realitu kvantového paralelizmu – realitu toho nespočetného množstva paralelných, vzájomne integrujúcich vesmírov.

APLIKÁCIE KVANTOVEJ INFORMAČNEJ TECHNOLÓGIE

Zvýšenie výpočtového výkonu, aj keď nad všetky doteraz predstaviteľné medze, však neznamená posledné slovo kvantovej teórie informácie. Existujú v kvantovej oblasti riešiteľné úlohy, ktoré vyslovene odporujú klasickej logike, napríklad úloha nájsť zaručene dobrú "bombu" bez toho, aby "vybuchla" (za normálnych okolností si môžeme byť istí, že bomba bola dobrá, až potom, čo už explodovala). Pritom príslušné experimentálne overenie fungovania kvantovej logiky bolo už úspešne uskutočnené, aj keď sa nejednalo o skutočné bomby, ale o "bomby" atómových rozmerov. Celkom praktickou sa zdá byť možnosť využitia absolútne bezpečného šifrovania správ, ktoré ponúka pomerne rozsiahle rozpracovaná oblasť kvantovej kryptografie. Experimentálna komunikácia pomocou kvantovošifrovaných optických kanálov sa úspešne overuje do vzdialeností rádovo desiatok kilometrov, okrem iných lokalít aj vo Švajčiarsku, ktorého prosperita súvisí s ochranou dát klientov bankových domov veľmi významne.

PERSPEKTÍVY KVANTOVEJ INFORMÁCIE

Napokon, je tu sama fyzikálna teória, ktorá spätne môže ťažiť zo zistení v oblasti kvantovej informácie. Nie je celý vesmír obyčajný kvantový počítač? A nie je náhodou ľudský mozog tiež kvantový počítač a nie klasický (či už digitálny alebo analógový), ako sme si doteraz mysleli? Nové pohľady na fyzikálne procesy z perspektívy kvantovej informácie môžu prispieť k pochopeniu štruktúry mikrosveta a pomôcť uzrieť svetlo sveta kvantovej teórii gravitácie. Aj jednu z najväčších záhad kvantovej mechaniky - prečo sa makrosvet javí ako "klasický" a mikrosvet ako "kvantový" a kde a prečo je medzi nimi deliaca čiara a čo ju spôsobuje - možno pochopiť na modeloch informačných tokoch medzi kvantovým systémom a jeho okolím.

Nie je vôbec prehnané očakávať podobný vplyv novej kvantovej technológie na všetky oblasti ľudského života, aký nastal zavádzaním informačných technológií. Hlboké uvedomenie si toho, o čom je vlastne reč, môže zanechať nezmazateľnú stopu nielen vo filozofii vedy, keď nepochybne sa budú musieť prehodnotiť jej logické základy, prípadne v osnovách stredných a vysokých škôl (dnes sa informačné technológie stávajú prakticky povinnými predmetmi), ale aj v kultúre a celej spoločenskej atmosfére. Zrejme tak ako vrcholiaci vek atómu, počítačov a komunikácií dominoval poslednému polstoročiu, bude 21. storočie, aspoň do nezanedbateľnej miery, storočím kvantovej teórie a kvantových informačných technológií.