Kaj nas čaka v kvantni prihodnosti

Številne prihodnje tehnologije bodo imele oznako »kvanten«. Zdaj so še bolj ali manj v povojih, a potencial je velikanski in zaradi njih se bo spremenilo marsikatero področje, od proučevanja vesolja do izdelave zdravil. V kvantne tehnologije tehnološki giganti vlagajo veliko denarja in se trudijo prehiteti preostali svet. Pri tem Evropa ne sme zaostati, pravi prof. dr. Rainer Kaltenbaek, na ljubljanski fakulteti za matematiko in fiziko vodja laboratorija za kvantno optiko, v katerem razvijajo tehnologije na področju kvantnega zaznavanja, komunikacije in računalništva ter proučujejo nekatera temeljna vprašanja kvantne fizike.

S čim se trenutno ukvarjate v laboratoriju?

Ukvarjamo se z napravo, ki bo zmožna producirati prepletene fotone. Tak vir prepletenosti je pogoj za prihodnje aplikacije kvantnih tehnologij, od računalnikov do kriptografije. Posebnost našega vira je, da bo kompatibilen s kvantnim spominom, kar nam bo omogočilo povezati tudi oddaljene kvantne sisteme.

Naj navedem primer. Pri klasični komunikaciji prek optičnih vlaken je na vsakih nekaj deset kilometrov ojačevalec signala. Pri kvantnih signalih to ni možno, saj bi v prvem koraku takega ojačanja fotone morali izmeriti, to pa bi uničilo njihovo kvantno informacijo. Namesto klasičnih se bodo kvantna omrežja zanašala na tako imenovane kvantne repetitorje. Ti bodo omogočili distribucijo prepletenosti med posameznimi lokalnimi sistemi. Te naprave bodo temeljile na kvantnem spominu in kvantnih meritvah.

Ukvarjate se tudi s kvantnim zaznavanjem oziroma kvantnimi senzorji. Koliko boljši so ti v primerjavi sedanjo tehnologijo?

Že danes uporabljamo kvantne tehnologije pri meritvah, saj nam te omogočajo natančnost, ki je sicer ne bi mogli doseči. Dober primer so zaznavanja gravitacijskih valov, denimo LIGO. To je zelo velik interferometer iz dveh dolgih krakov, po katerih potujeta laserska žarka, katerih interferenco nato merimo. Z uporabo tako imenovanih stisnjenih kvantnih stanj so merilnik naredili dovolj občutljiv, da zaznava tudi zelo šibke signale, ki jih povzročijo gravitacijski valovi. Zaradi kvantne narave svetlobe je v signalu, ki ga meriš, vedno neka minimalna količina šuma. Z uporabo kvantnih tehnologij ga lahko še zmanjšamo za spremenljivko, ki nas zanima, na račun povečanega šuma neke spremenljivke, ki za našo meritev ni bistvena.

Ta tehnologija bo zelo uporabna tudi pri opazovanju Zemlje s satelitov, kadar bomo potrebovali zelo natančne meritve, denimo o porazdelitvi vode in drugih naravnih virov. Za to bomo uporabili interferometre s hladnimi atomi. Iz meritev relativne razlike poti, ki jo atomi opravijo na dveh različnih lokacijah, lahko izmerimo zelo majhne spremembe v gravitacijskem polju. Iz tega nato določimo gostoto notranjosti Zemlje. Podobne poskuse z interferometrijo hladnih atomov že danes opravljajo na Mednarodni vesoljski postaji.

Kvantni senzorji nam lahko podajo precizne odgovore na vprašanja o vesolju. Če ostanem pri gravitacijskih valovih, v prihodnjih letih bodo izstrelili odpravo LISA, sestavljali jo bodo trije sateliti, oddaljeni nekaj milijonov kilometrov, ki bodo streljali laserske žarke drug proti drugemu in tako zaznavali gravitacijske valove. Ne le to, zelo natančno bodo lahko tudi določili, od kod izvirajo.

Odprava Lisa bo sestavljena iz treh satelitov. FOTO:  NASA/JPL Caltech/NASAEA/ESA

Kateri so trenutno glavni izzivi pri razvoju kvantnih senzorjev?

Naša skupina se ukvarja tudi s kvantno optomehaniko. To področje se je razvilo v zadnjih petnajstih letih, v povezavi z zaznavanjem gravitacijskih valov. Cilj je ustvariti mehanična telesa, katerih gibanje nadzoruje svetloba. Pri detekciji gravitacijskih valov laserske žarke usmerjajo na zrcala, ki pa morajo biti čim bolj pri miru, saj vsak najmanjši premik pomeni dodaten šum na signalu.

Najmanjše možno premikanje telesa ustreza osnovnemu kvantnemu stanju, kjer si omejen s kvantnimi fluktuacijami. Iz tega stanja lahko nato poskusiš zgraditi stanja, ki jih je mogoče razložiti le s kvantno fiziko, na primer stanje superpozicije, podobno tako imenovani Schrödingerjevi mački. To bi nam omogočilo proučevati temelje kvantne fizike. Na primer, pogledali bi lahko, kako gravitacija vpliva na superpozicijo makroskopskih stanj. Tu bi iskali odstopanja med napovedmi kvantne mehanike in splošne teorije relativnosti. V moji skupini poskušamo ugotoviti, kako veliki so še lahko delci v superpoziciji stanj, oziroma skušamo pripraviti največjo oziroma najmasivnejšo možno superpozicijo stanj.

Vznemirljiva druga kvantna revolucija

In kaj predvidevate, kako velika je lahko?

Kar je za nas zelo masivno, je za večino drugih še vedno zelo majhno. V našem primeru govorimo o delcih, ki jih že lahko vidimo pod mikroskopom, imajo premer 200 nanometrov, kar je manjše od lasu (debelina lasu je okoli 60.000 nanometrov). Do zdaj so kvantno superpozicijo že vzpostavili z delci, sestavljenimi iz nekaj tisoč atomov, mi si želimo preizkusiti superpozicijo z delci iz nekaj milijard atomov. Kar pa je za nas zelo veliko.

Kaltenbaekova skupina razvija napravo, ki bo zmožna producirati prepletene fotone. FOTO: Leon Vidic/Delo

Kaj bi s tem radi dosegli?

Predvsem gre za merjenje in iskanje morebitnih odstopanj od napovedi. Če bomo opazili neskladja s sedanjimi teoretičnimi modeli, bomo morali ugotoviti, kaj je šlo narobe, oziroma razložiti, zakaj se je to zgodilo.

Zame osebno bi bilo najbolj zanimivo, če bi v kvantnem sistemu imeli delec v osnovnem stanju, ki bi bil blizu težjemu delcu v superpoziciji stanj. Za različne položaje težjega delca bi na prvega delovala drugačna gravitacijska polja. Tako bi gravitacija med tema delcema vodila v prepletenost, kar bi bilo zelo vznemirljivo. Če bi vzpostavili gravitacijsko prepletenost, bi dokazali obstoj kvantne gravitacije. To pa bi poseglo v temelje našega razumevanja fizike in ustroja prostor-časa.

Ena najbolj težko pričakovanih aplikacij kvantne mehanike so seveda kvantni računalniki. Že zdaj lahko vidimo njihove prednosti, kaj vse bomo lahko še počeli z njimi?

Kvantni računalniki bodo pred navadnimi zagotovo v prednosti pri faktorizaciji velikih številk, kar je pomembno za dešifriranje. Marsikaj pa bomo šele spoznali. Prvi računalniki so bili namenjeni izračunavanju leta rakete za pristanke na Luni. Takrat, v 60. letih prejšnjega stoletja, tudi še nismo vedeli, za kaj vse bomo danes uporabljali računalnike. In enako bo s kvantnimi računalniki, ki jim bomo seveda postavljali vprašanja, ki so za trenutne pretežki.

Superpozicija, prepletenost in zombijska mačka

Sodelovali ste pri uspešnem prikazu kvantne komunikacije med tremi mesti, Reko, Ljubljano in Trstom. Uporabili ste obstoječo infrastrukturo, bo treba v prihodnje zgraditi novo?

Uporabimo lahko že obstoječa optična vlakna, a se ta obenem ne smejo uporabljati za klasično komunikacijo. Za demonstracijo smo telekomunikacijske operaterje zaprosili za tako imenovana temna vlakna, ki jih imajo za rezervo oziroma jih ne uporabljajo. Ponavadi bi morali za to plačati, a so nam tokrat za namen demonstracije vlakna med Trstom, Reko, Postojno in Ljubljano posodili zastonj, kar kaže, da je tudi v industriji veliko zanimanja za to področje.

Druga možnost, in s to se ukvarjamo v našem laboratoriju, pa je, da bi prepletenost fotonov dosegli na drugačni valovni dolžini svetlobe, kot se uporablja za klasično komunikacijo. V tem primeru bi lahko uporabili vlakno, v katerem sta naenkrat tako klasični kot kvantni signal. Zaradi različnih valovnih dolžin bi naše fotone lahko sfiltrirali od klasičnega signala.

Sedanja infrastruktura ima, kot sem že omenil, še problem ojačevalcev. Naša kvantna informacija skoznje ne more, ker jo meritve uničijo. V tem primeru bi morali narediti obvode, kar pa za seboj potegne veliko dela in sredstev. Za uspešno kvantno komunikacijo potrebujemo še drugo opremo, na primer posebne naprave za zaznavo teh fotonov.

Shema načrtovane evropske kvantne mreže, kjer Ljubljana predstavlja enega od lokalnih vozlišč. VIR: prof. dr. Rainer Kaltenbaek, UL FMF 

Je bilo pri demonstraciji vse tako, kot ste predvideli in pričakovali?

Največ težav je bilo med Reko in Trstom, ker je bilo pri signalu veliko izgub, verjetno kot posledica tega, da je bila povezava sestavljena iz številnih krajših vlaken. Vsak neidealen spoj nam je prinesel dodatne izgube. Toda po zaslugi telekomunikacijskih operaterjev nam je uspelo.

Seveda smo imeli tehnične težave, dva dni pred demonstracijo je odpovedala naprava, ki sprejema fotone. Pri tem poskusu je šlo za vprašanje potrpežljivosti in obvladovanja stresa.

Zdaj skušamo odločevalce v Evropski uniji prepričati, da to infrastrukturo potrebujemo. Na marsikaterem področju smo v Evropi primerljivi z ZDA in Kitajsko ali celo pred njimi, na nekaterih, kot sta kvantna komunikacija in kvantno računalništvo, pa smo izgubili začetno prednost in trenutno tvegamo, da bomo zaostali.

Zakaj je ta komunikacija tako pomembna?

V prvi vrsti zaradi varnosti. Omogočimo lahko kvantno kriptografijo, kar bo zanimivo za vlade, vojsko, banke in vso drugo kritično infrastrukturo, denimo jedrske elektrarne. Še dolgo pa ta način ne bo namenjen nam, da bi ga imeli na pametnih telefonih.

Enako je z računalniki. Zdaj imajo tehnološki giganti računalnike z okoli 50 kubiti, pa so že pokazali kvantno prevlado – dosegli so rezultat, ki ga klasični računalniki ne bi mogli v nekaj milijonih letih. Čim več bo kubitov, tem bolj zmogljivi bodo. Zdaj se v to vlaga ogromno denarja, a je napredek še razmeroma počasen. Pred petnajstimi leti so imeli štiri kubite, v prihodnjih petih letih bi lahko dosegli sto kubitov, potem tisoč, takrat pa bomo že lahko govorili o gradnji univerzalnega kvantnega računalnika, ki bo v trenutku dekriptiral vse, kar je bilo zakodirano na klasični način.

Ta računalnik bo vseboval tudi kvantno odkrivanje in popravljanje napak, kar je zdaj še velik problem. Kubite moramo zavarovati pred interakcijami z okoljem, saj lahko te uničijo kvantno informacijo. Več ko je kubitov, lažje se spregleda, da se je pri enem zgodila napaka. Menim, da bomo do tega postopka prišli v desetih do petnajstih letih.

Klasično kodiranje pred kvantnimi računalniki ne bo varno, kvantno pa bo?

Da, kvantno šifrirana sporočila bodo varna tudi pred njimi. No, da se razumemo, varnost sporočanja je vedno odvisna od pošiljatelja in prejemnika, vendar pa kvantne enkripcije ne bodo mogli razbiti niti kvantni računalniki.

Omenili ste povečevanje števila kubitov in velikanska sredstva, ki jih vlagajo največja svetovna tehnološka podjetja. Bomo še naprej spremljali bolj ali manj enakomeren napredek ali se bo zgodil nenaden preskok?

Mislim, da smo pred eksplozijo, ko se bo vse začelo odvijati zelo hitro. Res je šlo zelo počasi, ampak v zadnjih letih se je največji napredek zgodil, ko so se za tehnologijo začeli zanimati bogati igralci. Ta podjetja so tudi zaposlila ogromno strokovnjakov, med njimi nekaj mojih kolegov, sam sem se odločil ostati v znanosti.

Kaj pa je trenutno največji izziv, da bomo prišli do te eksplozije?

Kvantni računalniki morajo biti ohlajeni na skoraj absolutno ničlo, kar pa ni preprosto. Ker še ni popravljanja napak, je treba vedno računati na napake.

Se lahko zgodi, da bomo ugotovili, da kvantni računalnik s tisoč ali več kubiti ni mogoč?

Nekateri teoretiki preverjajo tudi to. Vprašanje je, ali lahko ob vse večjih kvantnih sistemih zakoni kvantne mehanike odpovedo. Po mnenju nekaterih se to lahko zgodi, sam nisem med njimi. Menim pa, da bomo prišli na neznano ozemlje, kjer bomo lahko opazili odstopanja, ki jih zdaj še ne moremo predvideti. Ta bi lahko tudi ustvarila mehanizme, ki uničijo kvantna stanja. Bomo videli. Vsekakor imam rad presenečenja.