Vznemirljiva druga kvantna revolucija

»Ne vem, zakaj je to uporabno, vendar sem prepričan, da boste to kmalu lahko obdavčili,« je Michael Faraday odgovoril britanskemu finančnemu ministru Williamu Gladstonu, ko ga je ta vprašal, čemu sploh služijo njegovi eksperimenti. Faraday je bil pomemben britanski fizik, ki je sredi devetnajstega stoletja raziskoval pojave v zvezi z elektriko; po njem je imenovan eden od osnovnih zakonov elektromagnetizma. Bil je tudi izumitelj, znana je Faradayeva kletka, ki ščiti pred elektromagnetnim sevanjem. In res se je čez petdeset let z Nikolo Teslo začelo obdobje vsesplošne elektrifikacije.



Izum, razvoj in uporaba parnega stroja je bila posledica potrebe bo črpanju vode v britanskih premogovnikih in je vodila do industrijske revolucije. Parni stroji so začeli delovati še pred popolnim fizikalnim razumevanjem teorije termodinamike, ki se je dokončno razvila prav na podlagi izkušenj s parnimi stroji. Tako je bil za vedno pokopan »perpetum mobile«, to je stroj, ki bi deloval brez dovajanja goriva. To je vodilo do rojstva novih temeljnih fizikalnih zakonov – do energijskega in entropijskega zakona. Z razumevanjem elekromagnetizma in termodinamike ob koncu devetnajstega stoletja se je zdelo, da se je razvoj fizike dopolnil in da morajo znanstveniki samo še natančneje določiti osnovne konstante ter se usmeriti v razvoj uporabnih naprav na podlagi fizikalnih zakonov.

Prav zato je bilo na začetku dvajsetega stoletja veliko presenečenje, ko so z eksperimenti ugotovili, da vendarle še ne razumemo vsega. Izmerili so, da je hitrost svetlobe konstantna, kar je vodilo do Einsteinovega odkritja enačb relativnostne teorije. Morda se ne zavedamo, vendar tehnologija naprav za satelitsko navigacijo deluje izključno na podlagi Eisteinovih enačb. Enako nepričakovano in nepojasnjeno v klasičnem razumevanju sveta in fizike je bilo odkritje fotoelektričnega pojava, na podlagi katerega, na primer, delujejo fotovoltaične sončne celice. Tudi ta pojav je nato pojasnil Einstein; je pa to odkritje v naslednjih desetletjih vodilo v razvoj povsem nove fizike, to je kvantne mehanike. Pojem kvant, ki se je na začetku nanašal na nekakšne osnovne pakete energije, je uvedel Max Planck po latinski besedi »quantum«, ki v slovenskem prevodu pomeni »toliko« ali »koliko«. Pozneje se je izkazalo, da ni kvantizirana le energija, ampak je to temeljna lastnost večine merljivih fizikalnih količin, opazljivk, in je zato izraz kvantna mehanika zelo primeren.

Iz teorije v prakso

V naslednjih letih je sledil nesluten razvoj, ko so fiziki v okviru formalizma kvantne mehanike lahko pojasnili najprej strukturo atomov in atomskih jeder, nato lastnosti osnovnih delcev ter končno nenavadne lastnosti snovi, kot sta superprevodnost in magnetizem. Zaradi zelo velikega uspeha novega orodja je bil leta 1935 članek Einsteina in sodelavcev spet nepričakovan; z njim so opozorili, da formalizem kvantne mehanike v sebi skriva nepričakovano »strašljivo delovanje na daljavo« (ang. »spooky action at the distance«), kot je pojav poimenoval Einstein. Iz enačb, in ne z eksperimentom, je odkril eno od najznačilnejših lastnosti kvantne mehanike, »kvantno prepletenost« (ang. quantum entanglement) delcev, kot jo je še istega leta poimenoval eden od očetov kvantne mehanike, Erwin Schrödinger, ki je pojav omenjal kot paradoks. Takrat namreč ni bilo povsem jasno, ali gre za pomanjkljivost teorije ali pa je res mogoče, da v naravi obstaja tako nenavadno delovanje, kot so ga napovedovale enačbe.



Od takrat je minilo pol stoletja, dokler niso glede kvantne prepletenosti francoski fiziki v osemdesetih letih prejšnjega stoletja končno potrdili pravilnosti enačb kvantne mehanike. Eksperimentalni rezultati so se povsem ujemali s teorijo; znan je takraten komentar: »Le kako bi Einstein komentiral rezultate?« Izkazalo se je, da je fizikom uspelo samo na podlagi teoretičnih raziskav odkriti pojav, ki bo zdaj šele po sto letih kvantnega razvoja, bistveno spremenil tehnologijo elektronskih naprav, ki jih uporabljamo tako za računanje kot za prenos in obdelavo informacij.

Kvantna varnost

V prvo kvantno revolucijo lahko uvrstimo naprave, na katere smo se že povsem navadili in se niti ne zavedamo, da so plod načrtovanja z uporabo zakonov kvantne mehanike – to so, na primer, računalniki, mobilni telefoni in satelitska navigacija. V drugi kvantni revoluciji, ki je zdaj na pohodu in temelji na izrabi kvantne prepletenosti, prehajamo v razvoj naprav, katerih zmogljivosti si sploh še ne znamo predstavljati. Gre za razvoj kvantnih računalnikov in s kvantno-mehanskimi zakoni narave zaščiteno komunikacijo. Kaj to pomeni? Pred dobrim mesecem so kitajski znanstveniki z Univerze v Hefeiu objavili novico, da jim je uspelo izdelati kvantni računalnik, ki je že med testnim delovanjem v dobri uri rešil matematični problem, ki bi ga največja gruča klasičnih računalnikov nepretrgoma računala več kot osem let. Polna zmogljivost bo še precej večja. Pred takimi računalniki v prihodnosti ne bo varen noben kriptografsko zaščiten sistem podatkov ali komunikacij; ustrezno zaščito omogoča samo tehnologija, ki temelji na zakonih kvantne mehanike.



Zaradi posebnega delovanja kvantnomehanskih šifrirnih »ključev« bo nova tehnologija omogočala doseganje do zdaj nedosegljivo visoke stopnje varnosti sogovornikov. Kvantni ključi so zaporedja naključnih števil, ki se na daljavo vzpostavijo z izmenjavo posameznih fotonov, kvantov svetlobe. Protokol izmenjave poteka po zakonih kvantne mehanike. Če bi kdo ta ključ poskušal prestreči, bi takoj pustil sled, ki bi sogovornikom omogočila, da vdor zaznajo in takoj ukrepajo. V sedanji klasični tehnologiji prek optičnih povezav pošiljamo optične pulze svetlobe in v vsakem takšnem blisku je na tisoče fotonov, kvantov svetlobe. Če kdo komunikaciji prisluškuje, to pomeni, da prestreže nekaj teh fotonov in s tem pridobi preneseno informacijo. Naslovnik tega sploh ne opazi. V kvantni komunikaciji to ni mogoče, ker se informacijo prenaša s posameznimi fotoni, ki jih ni mogoče podvajati in tudi niso deljivi. Če naslovnik poslani foton prejme, je to takoj znak, da ga ni prestregel nihče drug. V nasprotnem primeru je mogoče, da gre za prisluškovanje ali pa samo za izgubo fotona v šumu komunikacijskega optičnega vlakna. Vsekakor v kvantni tehnologiji prisluškovanje ni mogoče, je pa sama izvedba tehnološko zelo zahtevna, kar je tudi vzrok, da se šele sto let po odkritju zakonov kvantne mehanike počasi vzpostavlja njihova uporaba. Naprave, ki omogočajo izvedbo takšnih povezav, so namreč še v poskusni fazi; možen je le nakup posameznih laboratorijskih komponent, iz katerih znanstveniki sami sestavijo ustrezno kvantno napravo, na primer laserske izvore in detektorje posameznih fotonov.

Kvantna komunikacija med tremi državami

V četrtek, 5. avgusta, je bila med srečanjem ministrov za digitalno politiko skupine G20 v Trstu prva javna demonstracija kvantne komunikacije med tremi državami – Italijo, Slovenijo in Hrvaško. Prvič v zgodovini je bil omogočen popolnoma kvantno šifriran prenos med vozlišči treh držav, in sicer med Trstom, Ljubljano in Reko.
Pred nagovorom slavnostnih gostov so fiziki vzpostavili kvantni ključ, glasbeniki Akademije za glasbo Univerze v Ljubljani, Akademije za glasbo Univerze v Zagrebu in tržaškega konservatorija Giuseppeja Tartinija pa so nato po vzpostavljeni zvezi izvedli krajši glasbeni program, pri čemer so s tako imenovano kvantno kriptografijo v celoti izkoriščali revolucionarno tehnologijo popolnoma varnega prenosa zvoka in slike.

Kvantno komunikacijo so izvedli skupaj fiziki v treh državah: v Ljubljani na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani v okviru raziskovalne skupine prof. dr. Rainerja Kaltenbaeka in raziskovalnega projekta ARRS »Razvoj komponent za vzpostavitev nove evropske mreže za kvantno komunikacijo«, ki ga vodim prof. dr. Anton Ramšak; v Zagrebu je eksperiment potekal v izvedbi fizikov z Inštituta Ruđer Bošković in v Trstu z Oddelka za fiziko Univerze v Trstu ter CNR. Optično povezavo Trst–Ljubljana je zagotovil Telekom Slovenije, ki je tudi omogočil uporabo varnega prostora, kjer so znanstveniki pred dogodkom izvedli preklop kvantnega kriptografskega ključa.



Predstavitev je tako zgodovinsko prva uporaba kvantnih zakonov narave zunaj znanstvenih laboratorijev med tremi državami in z namenom popolnoma varne komunikacije, pri čemer je bilo uporabljeno standardno telekomunikacijsko omrežje. Zaradi svoje strateške lege se s tem Ljubljani in Sloveniji na stičišču glavnih evropskih komunikacijskih poti zahod–vzhod in sever–jug odpirajo povsem nove možnosti polne vzpostavitve in izkoriščanja te nove tehnologije.

Za zaključek lahko parafraziramo Faradayevo napoved, da bo sledilo tudi obdavčenje uporabe kvantne prepletenosti, kar bo znak, da smo opravili zaključni korak pri prehodu kvantne mehanike v vsakdanje življenje. Vedno znova se je namreč potrdilo, da vlaganje v osnovno znanost privede do vsakodnevno uporabnih rezultatov, vendar pogosto ne nujno v zelo kratkem času.

----------------------------
​Prof. dr. Anton Ramšak je dekan Fakultete za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani.