Z reševanjem težkih problemov postajam boljša različica sebe

Dr. Jaka Vodeb je doktoriral na Fakulteti za matematiko in fiziko Univerze v Ljubljani, zdaj je raziskovalec na nemškem institutu Forschungszentrum Jülich.

Kako bi povprečno razgledanemu v največ sto besedah razložili, kaj raziskujete?

Raziskujem kvantne računalnike, ki so superzmogljive naprave, sposobne rešiti zelo zapletene probleme neverjetno hitro. Uporabljam jih za kvantne simulacije, kjer raziskujem, kako se obnašajo materiali v različnih pogojih, in poskušam odgovoriti na osnovna vprašanja o kvantni dinamiki. To nam pomaga razumeti naravo bolj natančno in posledično razvijati nove tehnologije, ki so sposobne rešiti današnje probleme. Kvantni računalniki delujejo z uporabo kvantnih bitov, v katere lahko spravimo veliko več informacij kot v navadne bite, kar jim daje moč, ki je običajni računalniki nimajo.

Predstavite nam instrument, ki ga najpogosteje ali najraje uporabljate pri delu.

Predstavil vam bom kvantni računalnik, moj najljubši inštrument, ki ga uporabljam pri delu za izvajanje kvantnih simulacij.

Predstavljajte si, da imate zelo pametno škatlo, ki lahko razreši težave hitreje kot katerikoli računalnik, ki ga poznate. Ta škatla je kvantni računalnik. Namesto da bi uporabljal običajne bite, ki so lahko 0 ali 1, kvantni računalnik uporablja kubite. Kubite pa lahko postavimo v stanja 0, 1 ali kombinacijo obeh! Tako lahko hkrati vnesemo in računamo z veliko več številkami kot s klasičnim računalnikom.

Kako deluje? Če običajni računalnik deluje kot staromodna pisalna mašina, ki piše eno črko naenkrat, potem kvantni računalnik deluje kot čarobna pisalna krogla, ki lahko napiše cel roman v trenutku. Kubiti uporabljajo lastnosti kvantne mehanike, kot so superpozicija in prepletenost, da rešujejo probleme na načine, ki jih običajni računalniki preprosto ne zmorejo, saj ne premorejo teh dveh lastnosti.

Pri svojem delu uporabljam kvantni računalnik predvsem za kvantne simulacije. Predstavljajte si, da želite ugotoviti, kako se bo obnašala neka molekula ali pa kristal pri različnih pogojih. Običajni računalniki bi za takšne simulacije porabili veliko časa in energije, medtem ko kvantni računalnik to naredi, kot bi mignil. Z njim lahko simuliramo zelo zapletene kvantne sisteme, kar je še posebej koristno v znanosti in tehnologiji.

Kvantni računalnik je neverjetno zmogljivo orodje, ki lahko revolucionira svet, od medicine do materialov, od kemije do kriptografije. Je naslednji korak računalniške zmogljivosti, ki nam odpira vrata v prihodnost.

Zakaj imate radi znanost?

Ker je zabavno odkrivati nekaj res novega. To me zelo navduši. Reševanje težkih problemov me spodbuja, da postanem boljša različica sebe. Biti znanstvenik mi omogoča delati s pametnimi, zanimivimi in navdihujočimi ljudmi, ki jih drugače ne bi spoznal. Te pustolovščine in izzivi so tisto, kar dela znanost tako posebno in vznemirljivo zame.

Kaj dobrega bi vaše delo lahko prineslo človeštvu?

Moje delo s kvantnimi računalniki bi lahko prineslo številne koristi. Na primer pri razumevanju vesolja. Kvantni računalniki lahko simulirajo kvantne sisteme onkraj zmogljivosti običajnih računalnikov, kar omogoča vpogled v osnovna vprašanja kvantne dinamike in posledično boljše razumevanje narave našega vesolja. Ali pri energetski učinkovitosti: s kvantnimi simulacijami lahko razvijemo boljše materiale za shranjevanje in uporabo energije, kar bi lahko pripomoglo k bolj trajnostnim virom energije in zmanjšanju odvisnosti od fosilnih goriv. Poleg tega je izvajanje kvantnih simulacij na navadnih v primerjavi s kvantnimi računalniki energijsko zelo potratno, zato je energijsko učinkoviteje izvajati kvantne simulacije na kvantnih računalnikih.

Razvoj kvantnih računalnikov vodi k napredku drugih tehnologij, kot so novi materiali z lastnostmi, ki presegajo sedanje. Primer je nova vrsta spominske naprave, ki je zmožna delovati pri istih ekstremno nizkih temperaturah, kjer operirajo kvantni računalniki in bi lahko služila kot kvantni spomin.

Kdaj ste vedeli, da boste raziskovalec?

Že v otroštvu, ko sem občudoval znanstvenike v filmih, kot je Indiana Jones. Njegove pustolovščine in uporaba razuma v srečanju z neznanim sta me popolnoma očarala. Pozneje, v srednji šoli, sem na youtubu odkril kanal Veritasium. Po tem, ko sem pogledal vse njegove videe, sem vedel, da hočem biti fizik. Opazil sem, da me spoznavanje sveta okoli sebe skozi oči fizike naravno in nerazložljivo močno pritegne. Tako sem se odločil, da bom tudi sam odkrival in raziskoval svet okoli sebe na tak način.

Kaj zanimivega poleg raziskovanja še počnete?

Poleg raziskovanja zelo rad potujem v nove kraje in odkrivam različne kulture. Poleg tega me navdušuje plezanje in pohodništvo. Plezanje mi daje občutek svobode in izziva, hkrati pa je odlična vadba. Rad preživljam čas v naravi, kjer se lahko odklopim od vsakodnevnih skrbi in se napolnim z novo energijo za raziskovalno delo.

Kaj je ključna lastnost dobrega znanstvenika?

Radovednost je tista iskra, ki poganja znanstvenike k raziskovanju neznanega, postavljanju vprašanj in iskanju odgovorov. Prav ta želja po razumevanju, kako stvari delujejo, vodi do odkritij in napredka. Radovednost spodbuja tudi vztrajnost, saj znanstvenike motivira, da ne odnehajo ob prvih neuspehih, ampak nadaljujejo, dokler ne najdejo rešitve. Kombinacija radovednosti, vztrajnosti in pripravljenosti na učenje je tista, ki naredi znanstvenika uspešnega in inovativnega.

Katero bo najbolj prelomno odkritje ali spoznanje v znanosti, ki bo spremenilo tok zgodovine v času vašega življenja?

Verjamem, da bo najbolj prelomno odkritje v času mojega življenja dopolnitev osnovne kvantne teorije, ki bo popolnoma pojasnila, kako se vedejo osnovni delci našega vesolja. To odkritje bo primerljivo z Einsteinovim odkritjem teorije relativnosti. Trenutno imamo veliko nerešenih vprašanj o naravi vesolja in njegovi osnovni strukturi. Kvantni računalniki nam pri tem lahko zelo pomagajo, saj so sposobni izvajati zapletene simulacije in izračune, ki jih današnji računalniki ne zmorejo. Ta nova teorija bi lahko spremenila naš pogled na vesolje, omogočila razvoj novih tehnologij in poglobila naše razumevanje narave same.

Bi odpotovali na Mars, če bi se vam ponudila priložnost?

Čeprav bi bilo potovanje na Mars neverjetna avantura, bi verjetno rekel ne. Preprosto zato, ker se imam na Zemlji tako fajn! Tukaj je toliko čudovitih krajev za odkrivanje, gora za pohode in ljudi, s katerimi lahko preživljam čas. Zemlja mi ponuja nešteto priložnosti za raziskovanje in uživanje v naravi, poleg tega pa so tukaj vsi moji prijatelji in družina. Potovanje na Mars bi bilo fascinantno, a življenje na naši čudoviti Zemlji je zame neprecenljivo.

Na kateri vir energije bi stavili za prihodnost?

Za prihodnost bi definitivno stavil na fuzijo. Fuzija obljublja skoraj neomejen vir čiste energije, saj posnema procese, ki poganjajo sonce. Čeprav je to tehnologija, ki je še vedno v razvoju in jo dolgoročno še čakamo, predstavlja najobetavnejšo rešitev za naše energetske potrebe.

Medtem pa trdno podpiram danes dostopno jedrsko energijo. Jedrska energija je zanesljiv in učinkovit vir, ki lahko močno zmanjša našo odvisnost od fosilnih goriv in pripomore k zmanjšanju emisij toplogrednih plinov. Z ustreznimi varnostnimi ukrepi in napredkom v tehnologiji je jedrska energija trenutno najboljša možnost za prehod v bolj trajnostno prihodnost, dokler ne dosežemo tehnologije fuzije.

S katerim znanstvenikom v vsej zgodovini človeštva bi šli na kavo?

Z veseljem bi šel na kavo z Richardom Feynmanom. Bil bi neverjetno zanimiv sogovornik, znan po svoji izjemni sposobnosti, da kompleksne koncepte pojasni na preprost in razumljiv način, in dobrem smislu za humor. Poleg tega bi se mu iskreno zahvalil za njegov pionirski prispevek k razvoju kvantne mehanike in kvantnega računalništva, področja, ki me zdaj navdušuje in zanima.

Najin pogovor bi bil pravo raziskovanje znanstvenih in življenjskih vprašanj. Z veseljem bi mu povedal o vseh novostih in napredku na področju kvantnega računalništva ter ga navdušil s tem, kako njegova dela še vedno vplivajo na razvoj te tehnologije. Prepričan sem, da bi bila kava s Feynmanom izjemno navdihujoča izkušnja, polna humorja, zanimivih misli in novih spoznanj.

Katero knjigo, film, predavanje, spletno stran s področja znanosti priporočate bralcu?

Priporočam knjigo Kratka zgodovina časa Stephena Hawkinga. To delo je fascinantno potovanje skozi vesolje, v katerem Hawking na razumljiv način razlaga kompleksne pojme, kot so črne luknje, veliki pok in narava časa.

Za film priporočam Interstellar. Čeprav gre za znanstveno fantastiko, je film fizikalno pravilen vse do trenutka, ko se glavni lik znajde v črni luknji. Poleg tega ponuja čudovit vpogled v teorijo relativnosti in medzvezdna potovanja.

Predavanje TED Talk Why does the universe exist? Jima Holta je prav tako odlično. Holt raziskuje globoko filozofsko in znanstveno vprašanje o obstoju vesolja na način, ki je dostopen in miselno spodbuden.

Na youtubu priporočam kanal Veritasium. Ta kanal ponuja visokokakovostne znanstvene vsebine, ki so hkrati poučne in zabavne. Njihovi videi razlagajo znanstvene pojme na preprost in privlačen način, kar je odlično za vse, ki se želijo naučiti več o znanosti.

Česa ne vemo o vašem področju, pa bi nas presenetilo?

Morda vas bo presenetilo, da v kvantnih tehnologijah uporabljamo nekaj, kar se imenuje kvantna teleportacija. Ne gre za teleportacijo ljudi, kot v znanstveni fantastiki, ampak za prenos kvantnih informacij. Kvantna teleportacija izkorišča kvantno prepletenost, kjer sta dva delca povezana tako, da stanje enega delca takoj vpliva na stanje drugega, ne glede na razdaljo med njima. Predstavljajte si, da imate dve krogli, eno v Ljubljani in drugo v New Yorku, in ko zavrtite eno, se druga začne vrteti enako, kot bi bile povezane z nevidno nitjo.

Pri kvantni teleportaciji se kvantne informacije prenesejo s pomočjo prepletenih delcev. Recimo, da imate kubit A v Ljubljani in kubit B v New Yorku. S kvantno teleportacijo lahko stanje kubita A prenesete na kubit B, ne da bi fizično premaknili kubit A. To je mogoče s posebnim kvantnim postopkom, ki vključuje meritve in pošiljanje klasičnih informacij, a rezultat je, da kubit B prevzame stanje kubita A.

Kvantna teleportacija postavlja tudi zanimiva filozofska vprašanja zaradi tako imenovanega teorema o prepovedanem kloniranju. Ta teorem pravi, da je v kvantni mehaniki nemogoče stanje enega sistema direktno klonirati v drug sistem. Pri postopku kvantne teleportacije se bo prvi sistem uničil, ko bo njegovo stanje preneseno na drugi sistem. Predstavljajte si, kaj bi to pomenilo v znanstvenofantastičnem, a fizikalno možnem primeru teleportacije človeka. Če bi nekako lahko teleportirali človeka, bi bil original uničen, ko bi se kopija pojavila na ciljni destinaciji. To odpira številna vprašanja o identiteti, zavesti in bistvu obstoja. Bi bil teleportirani človek še vedno ista oseba, čeprav bi bil original uničen? Te filozofske in znanstvene dileme nas še vedno navdušujejo in navdihujejo k raziskovanju skrivnosti kvantnega sveta.