Dober dan!

Hitre povezave
Moje naročnineNaročila
Znanoteh

Kvantno obeta neslutene možnosti

S kvantno mehaniko je mogoče pojasniti lastnosti sveta znotraj molekul in atomov.
Problem Schrödingerjeve mačke še danes buri domišljijo, ker načenja vprašanje, kje je meja med klasičnim in kvantnim svetom. Ilustracija: Nina Ramšak Marković
Problem Schrödingerjeve mačke še danes buri domišljijo, ker načenja vprašanje, kje je meja med klasičnim in kvantnim svetom. Ilustracija: Nina Ramšak Marković
Anton Ramšak
30. 1. 2025 | 05:00
19:03

Generalna skupščina Združenih narodov je leto 2025 določila za mednarodno leto kvantne znanosti in tehnologije. Zakaj in kaj sploh sta kvantna znanost in kvantna tehnologija?

Odgovor na vprašanje, zakaj ravno leto 2025, je preprost: proti koncu leta 1925 je nemški fizik Werner Heisenberg izpeljal enačbe, ki so vzbudile nesluten odziv v znanstveni javnosti. Nekaj mesecev zatem je Erwin Schrödinger izpeljal enačbo, pozneje poimenovano po njem, ki je postala temelj popolnoma novega pogleda na fiziko. V letu 1926 so fiziki tako z novo teorijo lahko že razjasnili mnoge eksperimentalne rezultate z začetka 20. stoletja, ki jih prej nikakor niso razumeli v okviru dotedanjega razumevanja osnov fizike.

Za nov pristop se je kmalu uveljavilo poimenovanje kvantna mehanika, bolj splošno tudi kvantna fizika, za razliko od dotlej znanih teorij klasične fizike. Sem sodijo predvsem klasična (Newtonova) mehanika, električni in magnetni pojavi, toplota in termodinamika, torej področja, ki jih pri fiziki učimo v osnovni in srednji šoli, kjer se zaradi matematične zahtevnosti kvantna mehanika obravnava zgolj opisno; podrobno se z njo lahko seznanijo šele študenti na univerzitetnem študiju.

Bolj zanimivo je vprašanje, zakaj si je to znanstveno področje prislužilo tako pomembno mednarodno zaznamovanje. Kar se je pred sto leti začelo kot poskus teoretičnega pojasnjevanja nekaterih osnovnih pojavov, se je v naslednjih desetletjih razširilo na tehnološko uporabno sfero. Kvantna fizika je našla svoje mesto zunaj okvirov fizike in je prerasla v kvantno znanost. To dejstvo najbolje ponazorimo z znano anekdoto o Michaelu Faradayu. Bil je pomemben britanski fizik, ki je sredi 19. stoletja raziskoval pojave v zvezi z elektriko, po njem se na primer imenuje zakon električne indukcije. Bil je tudi izumitelj, znana je Faradayeva kletka, ki ščiti pred elektromagnetnim sevanjem. Faraday je takrat svoje poskuse z električnimi in magnetnimi pojavi javno izvajal in pri tem požel nemalo zanimanja splošne javnosti. Njegov prijatelj, bodoči britanski finančni minister sir William Gladstone, naj bi pripomnil, da je vse to zares zanimivo, vendar ne razume, zakaj naj bi bilo koristno. Faraday mu je odgovoril, da ne ve, zakaj naj bi bilo uporabno, vendar je prepričan, da se bo to kmalu dalo obdavčiti. In res, že čez pol stoletja se je z Nikolo Teslo, Thomasom Edisonom in drugimi izumitelji začelo obdobje vsesplošne elektrifikacije. Teorije elektromagnetizma že dolgo ne ostajajo samo v okviru teorije, ampak so del vsakdanjega življenja, kot na primer električni motorji in radijski valovi.

Nepogrešljiva tehnologija

Leto 2025 je poleg stoletnice fizikalne teorije tudi mejnik v tehnologiji, ki je, tako kot elektrika stoletje prej, prešla v naš vsakdanjik. Bistvo anekdote o Faradayu danes lahko posplošimo na prehod kvantne teorije v tehnologijo, ki je že postala nepogrešljiva. Kvantna mehanika je tako kljub svojemu izvoru v abstraktnem svetu teoretične fizike spremenila tehnološki svet naprav, ki predstavljajo temelj sodobnega življenja. Te naprave delujejo na osnovi kvantnih principov, ki se jih uporabniki pogosto sploh ne zavedamo. Na kratko si oglejmo nekaj primerov, pri katerih kvantna mehanika neposredno prispeva k delovanju različnih vsakdanjih in specializiranih naprav.

Tranzistor je trenutno verjetno najpomembnejši gradnik vseh elektronskih naprav, kot so računalniki, pametni telefoni in televizorji. Brez tranzistorjev ne bi bilo mikroprocesorjev, pomnilniških čipov in digitalnih vezij, celotno področje informacijske tehnologije ne bi obstajalo v sedanji obliki. Prvi tranzistor so izdelali v Bellovih laboratorijih leta 1947, pri čemer sta bila za razvoj nujna temeljito razumevanje in uporaba kvantne mehanike.

Osnovno teorijo laserjev in načela delovanja je predlagal Albert Einstein že leta 1917, vendar brez prave kvantne teorije in tudi ustrezne pomožne tehnologije izvedba ni bila možna vse do šestdesetih let. Laserji temeljijo na principu stimulirane emisije, ki ga pojasni kvantna mehanika: fotoni (svetloba) vzbudijo elektrone v laserju v višja energijska stanja; ko se ti elektroni vrnejo v nižja stanja, oddajo svetlobo, ki ustvari laserski žarek. Laserji so nepogrešljivi pri prenosu informacij po optičnih vlaknih, v medicini postajajo pomembne laserske operacije, v industrijski proizvodnji so nenadomestljivi pri rezanju in varjenju različnih materialov.

Prve sveteče diode (LED) so se pojavile v začetku sedemdesetih let, najprej predvsem v rdeči barvi v prikazovalnikih kalkulatorjev in zapestnih ur. V naslednjih dvajsetih letih so se z razvojem zelenih in modrih diod odprle mnoge nove možnosti uporabe. LED delujejo na osnovi elektroluminiscence, to je kvantnega procesa, v katerem se elektroni v polprevodniku združujejo z vrzelmi in pri tem sproščajo energijo v obliki svetlobe, katere barva je odvisna od fizikalnih lastnosti polprevodnika. Izdelati je mogoče LED z belo svetlobo, kar je zaradi skoraj desetkrat večje učinkovitosti svetečih diod v primerjavi s klasično sijalko na žarečo žičko postalo izredno pomembno pri uporabi svetil. Sveteče diode so pomembne tudi pri mnogih drugih napravah, na primer v naprednih zaslonih televizorjev in pametnih telefonih.

image_alt
Ideologija je samo ime, ki smo ga izbrali za tisto, v kar verjamemo

Leta 1905 je Einstein teoretično pojasnil fotoelektrični pojav z vpeljavo pojma majhnih paketov energije. Pojem kvant je kmalu nato vpeljal nemški fizik Max Planck po latinski besedi quantum, ki pomeni »toliko« ali »koliko«. V naslednjih dveh desetletjih se je izkazalo, da je poleg energije kvantizirana tudi večina drugih fizikalnih količin, zato je izraz kvantna mehanika zelo primeren. Odkritje in razlaga fotoelektričnega pojava sta v naslednjih desetletjih vodila do razvoja fotovoltaičnih sončnih celic, ki delujejo prav na podlagi tega odkritja. S tem v zvezi moramo omeniti še baterije, saj je do njihovega skokovitega razvoja pripeljalo prav vse boljše kvantnomehansko razumevanje dinamike ionov med elektrodami. Torej je uporaba kvantne mehanike neizogibna v energetiki, tudi v zvezi z jedrsko energijo.

Magnetnoresonančna tomografija se je izkazala za nepogrešljivo diagnostično orodje v medicini, saj omogoča podrobne slike notranjih struktur telesa. V osnovi jedrska resonančna metoda sloni na kvantnomehanskem razumevanju sklopitve vrtilne količine jeder, spina, z magnetnim poljem in radijskimi valovi. Fizikalne osnove je nato z uporabo naprednih matematičnih metod in računalniških algoritmov mogoče združiti v zanesljivo napravo, brez katere si ne bi več mogli zamisliti številnih medicinskih raziskav.

Omenimo še kvantno uro, ki meri čas z izjemno natančnostjo. To je med drugim pomembno pri telekomunikaciji, ker omogoča pravilno sinhronizacijo podatkovnih omrežij, ali pri natančnem določanju položaja s pomočjo satelitov (GPS). To tehnologijo vsakodnevno uporabljamo na pametnih telefonih, se pa verjetno ne zavedamo, da je uporaba kvantne mehanike neizogibna za razvoj in delovanje teh naprav. Za delovanje GPS sta poleg kvantne mehanike sicer odločilna tudi razumevanje in uporaba drugega odkritja z začetka 20. stoletja, Einsteinove teorije relativnosti. Veliko pa je še drugih naprav in tehnoloških postopkov, pri katerih sta ključna razumevanje in uporaba kvantne mehanike.

Zanimivo je vprašanje, kdaj klasični pristop ne zadošča in kdaj je potrebna kvantna obravnava. Odgovor ni preprost in zahteva daljšo razlago, ta sega na začetek razvoja kvantne revolucije, ki smo ji priča zadnjih sto let. Prehod iz 19. v 20. stoletje je bil v marsičem vrhunec industrijske dobe, temelječe na tehnologiji parnih strojev in začetkih splošne elektrifikacije. Bili smo priča novim izumom, kot so bencinski motorji in avtomobili, električna razsvetljava, telegraf, telefon, radio. Zdelo se je, da je v fiziki že vse pojasnjeno, treba je bilo le še bolj natančno izmeriti posamezne konstante v enačbah, pa bi bilo naše razumevanje osnovnih zakonov sveta popolno. Tehnološki napredek je v številnih laboratorijih že omogočal natančnejše merjenje, nove tehnologije in objave v znanstvenih revijah so med znanstveniki omogočile hitrejšo izmenjavo informacij. Znanost se je razcvetela.

Hkrati pa so se na začetku 20. stoletja počasi pokazale prve razpoke v znanstveni predstavi, ki smo jo imeli o svetu. Natančne meritve hitrosti svetlobe se niso ujemale s pričakovanji, kar je leta 1905 vodilo do odkritja teorije relativnosti. Izkazalo se je, da se gibanja zelo hitrih teles ne da pravilno opisati s stoletja znano Newtonovo enačbo. V vsakdanjem življenju je razlika med novo in staro teorijo zelo majhna, razlika se pozna na več kot na desetem decimalnem mestu, zato nova teorija v okviru mehanskih naprav ni bila potrebna in je stoletja zadoščala stara Newtonova mehanika. Einsteinove enačbe pa so se izkazale kot pomembne za pravilnejši opis gibanja nebesnih teles ali gibanja gradnikov snovi, kot so elektroni in protoni, ki so zelo lahki in jih z lahkoto pospešimo do hitrosti, kjer opis z Newtonovo mehaniko ni več dovolj zanesljiv. Toda na začetku je tudi ta novi pristop ostal samo zanimiva teorija, nepomembna v praksi.

Teorija relativnosti pa ni mogla pojasniti mnogih na novo odkritih lastnosti snovi. Velik izziv za klasično razumevanje elektromagnetizma je bila razlaga izvora svetlobe, ki jo oddajajo plini, skozi katere teče električni tok. Znan primer je bila rdeča svetloba neonskih reklamnih napisov iz tistega časa. Natančne meritve izsevane svetlobe so pokazale, da ima vsak plin svojo značilno »mavrico«, ki jo sestavljajo samo določene barve in je nekakšen prstni odtis posameznega plina. Teh barv ni bilo mogoče pojasniti v okviru znanih enačb in teorije takratnega časa. Očitno je bilo, da je potrebno novo razumevanje narave, saj z ustaljenimi metodami in teorijo ni bilo več mogoče pojasniti množice novih eksperimentalnih odkritij.

image_alt
Spremeniti moramo naše razumevanje prostora in časa

Nov opis sveta

Odgovore na nakopičena vprašanja je ponudila nova teorija, za katero se je uveljavil izraz kvantna mehanika. V samo nekaj naslednjih letih se je po zelo intenzivnem skupnem delu mnogih raziskovalcev razvila teorija, ki v bistvu nespremenjena velja še danes. Z njo je bilo mogoče pojasniti nenavadne eksperimente z elektroni, lastnosti atomov, atomskih jeder in kasneje na novo odkritih osnovnih delcev. V prvih letih so znanstveniki predvsem z eksperimenti preverjali teorijo, jo nadgrajevali in hiteli z raziskavami osnovnih gradnikov snovi, kar je sčasoma privedlo do omenjenih pomembnih aplikativnih odkritij. Izkazalo se je, da je s kvantno mehaniko mogoče pojasniti lastnosti sveta znotraj molekul in atomov, pri večjih telesih pa se razlika med kvantnim in klasičnim opisom zabriše, saj v našem makroskopskem svetu obe teoriji vodita do enakih rezultatov. To je tudi razlog, zakaj stoletja nismo zaznali, da potrebujemo nadgradnjo klasične s kvantno znanostjo.

Zaradi izrednega uspeha novega znanstvenega orodja je bil rezultat članka, ki so ga leta 1935 objavili Einstein, Podolsky in Rosen, povsem nepričakovan. Z njim so opozorili, da morda formalizem kvantne mehanike, ki je bil takrat že povsem sprejet, v sebi skriva »strašljivo delovanje na daljavo« (angl. spooky action at the distance), kot je pojav poimenoval Einstein. Iz enačb, in ne z eksperimentom, je odkril eno od najznačilnejših lastnosti kvantne mehanike, in sicer »kvantno prepletenost« (angl. quantum entanglement) delcev, kot jo je še istega leta poimenoval Schrödinger. Na vprašanja, ki so se pojavila, ni bilo enostavnega odgovora, ali gre za pomanjkljivost teorije, ali je res možno, da v naravi obstaja tako nenavadno delovanje, kot so ga napovedovale enačbe. Zanimivo je, da članek takrat niti ni bil deležen velike pozornosti. Schrödinger je takoj dojel, da kvantna prepletenost omogoča pojave, ki so v okviru klasične fizike videti kot čarovnija. Še istega leta je tudi sam predstavil zamisel eksperimenta s Schrödingerjevo mačko, ki se jo v kvantnem formalizmu obravnava hkrati kot živo in mrtvo. Problem Schrödingerjeve mačke še danes buri domišljijo, ker načenja vprašanje, kje je meja med klasičnim in kvantnim svetom. Kako velik naj bo opazovani sistem, da ga lahko obravnavamo kot kvantno stanje, in kdaj ter pod kakšnimi pogoji zaradi t. i. dekoherence izgubi svojo kvantno naravo, ko ga opazujemo v makroskopskem svetu?

Druga kvantna revolucija

Šele trideset let kasneje so se izkristalizirale ideje, kako bi vprašanja kvantne prepletenosti lahko preverili z eksperimentom. V naslednjih desetletjih se je zvrstilo veliko vse bolj izpopolnjenih meritev, ki so povsem ovrgle dvome o pravilnosti kvantne teorije. Nobelova nagrada za fiziko leta 2022 je bila podeljena za raziskave in potrditev teorije prav v zvezi s prepletenostjo kvantnih delcev. Kvantna mehanika je tako v desetletjih prestala najstrožje preverjanje veljavnosti, hkrati pa so se odprla vrata druge kvantne revolucije, kot danes pogosto imenujemo tehnologijo, temelječo na pojavih, ki jim je skupna kvantna prepletenost.

Uporaba kvantne prepletenosti je temeljna za delovanje kvantnih računalnikov, ki omogočajo eksponentno hitrejše reševanje določenih problemov. FOTO: Shutterstock


 
Uporaba kvantne prepletenosti je temeljna za delovanje kvantnih računalnikov, ki omogočajo eksponentno hitrejše reševanje določenih problemov. FOTO: Shutterstock  

Uporaba kvantne prepletenosti je temeljna za delovanje kvantnih računalnikov, ki omogočajo eksponentno hitrejše reševanje nekaterih problemov, kot so dešifriranje podatkov, optimizacija procesov in hitro iskanje po neurejenih tabelah. Ker osnovne lastnosti materialov določa kvantna struktura na atomski in molekularni ravni, se pričakuje, da bo s kvantnimi računalniki mogoče v razumnem času izračunati lastnosti novih materialov in učinkovin novih zdravil, kar zdaj zaradi zahtevnosti postopkov s klasičnimi računalniki pogosto ni mogoče. Prav tako je kvantna prepletenost ključna za kvantno komunikacijo, saj omogoča izredno varno prenašanje podatkov z uporabo t. i. kvantne distribucije ključev. Varnost prenosa temelji na osnovnih zakonih narave in ne zgolj na zapletenosti šifrirnega postopka. Kvantni računalniki bodo v prihodnosti med seboj povezani v okviru kvantnega interneta, ki ga bo omogočila uporaba kvantne teleportacije fotonov. Poleg tega kvantni senzorji uporabljajo prepletenost za doseganje neverjetne natančnosti pri merjenjih, kar prinaša revolucijo na mnogih področjih, kot so medicina, navigacija brez GPS, napovedovanje potresov, v različnih temeljnih raziskavah in še marsikje. Druga kvantna revolucija obeta podobno kot uporaba umetne inteligence temeljito preoblikovanje tehnologije in družbe.

Slovenija ima na področju temeljnih raziskav in tudi že uporabe tehnologije, ki jo omogoča kvantna mehanika, ugledno mesto na zemljevidu razvitih držav. Znanstveniki s tega področja objavljamo v najprestižnejših revijah in pridobivamo pomembne evropske projekte, tudi projekte Evropskega raziskovalnega sveta (ERC). V okviru evropsko financiranega projekta SiQUID slovenski raziskovalci razvijamo prvo slovensko mrežo za kvantno komunikacijo med posameznimi ministrstvi v Sloveniji, v prihodnosti pa bo prek satelitov vključevala tudi globalno kvantno izmenjavo informacij.

Končajmo z znanim citatom Richarda Feynmana, ki je leta 1965 prejel Nobelovo nagrado za prispevek pri razvoju kvantne elektrodinamike. Leto prej je v javnem predavanju na ameriški univerzi Cornell izjavil: »Nekoč so časopisi pisali, da teorijo relativnosti razume zgolj dvanajst ljudi. Ne verjamem, da je kdaj bil tak čas. Nemara je bil čas, ko jo je razumel en sam človek, saj jo je samo on lahko res doumel – preden je napisal svoj članek. Ko so članek prebrali, pa je teorijo relativnosti tako ali drugače razumelo mnogo ljudi, zagotovo več kot dvanajst. Na drugi strani pa menim, da lahko mirne duše trdim, da kvantne mehanike ne razume nihče.«

Hotel je poudariti, da je kvantna mehanika prinesla v naše življenje nekaj povsem novega in da se njenih napovedi in formalizma pač ne da razumeti v okviru vsakdanjega življenja in teorij, ki so prevladovale do pred stotimi leti. Sprejeti moramo novo abstraktno teorijo, četudi nasprotuje naši intuiciji. Kvantna znanost in tehnologija, katerih mednarodno leto je letos, izstopata iz okvirov, ki smo jih vajeni v običajnem življenju, zato obetata neslutene nove možnosti.

––––––––––––––––

Prof. dr. Anton Ramšak, Fakulteta za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani in Institut Jožef Stefan. Predava kvantno mehaniko in vodi evropski projekt Slovenian Quantum Communication Infrastructure Demonstration (SiQUID).

 

Sorodni članki

Hvala, ker berete Delo že 65 let.

Vsebine, vredne vašega časa, za ceno ene kave na teden.

NAROČITE  

Obstoječi naročnik?Prijavite se

Komentarji

VEČ NOVIC
Predstavitvene vsebine