Fizycy pokazali nieznane wcześniej połączenie między informatyką kwantową a... filozofią dotyczącą świata kwantów. Badania ukazały się w marcu w prestiżowym czasopiśmie PNAS. W swoich badaniach uczeni wykazali nieznane wcześniej powiązania między tzw. efektem redukcji złożoności a nierównością Bella. "To, co robimy, to filozofia stosowana" - śmieje się w rozmowie z PAP kierownik badania prof. Michał Horodecki z Wydziału Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Gdańskiego.

KSIĘŻYC JAK SIĘ PATRZY

Naukowcy czasem żartem pytają czy Księżyc istnieje, kiedy nikt na niego nie patrzy. W świecie makroskopowym odpowiedź jest oczywista: no pewnie, że tak! Ale w kwantowej skali pytanie o właściwości jakiegoś obiektu przed jego obserwacją nie jest już tak banalne. Czasem bowiem to sam fakt obserwacji kształtuje rzeczywistość.

Prof. Horodecki tłumaczy to na przykładzie pomiaru pędu czy położenia cząstki. "To, że zarejestrowaliśmy pęd cząstki podczas pomiaru, nie znaczy, że możemy zakładać, że ta cecha istniała przed pomiarem. W ogóle nie powinniśmy sobie wyobrażać, że przed pomiarem jakieś właściwości +były+. Nawet nie wiem, jak nazwać sytuację, jaka ma miejsce przed pomiarem. Bo to się kłóci z naszym postrzeganiem świata" - przyznaje prof. Michał Horodecki. Dodaje, że ludzka wyobraźnia nie za bardzo radzi sobie z zagadkami kwantowego świata.

To jednak, z czym nie radzi sobie wyobraźnia, można czasem opisać w języku matematyki. To, że sam fakt obserwacji kreować może rzeczywistość, ma postać tzw. nierówności Bella. "Jeżeli obserwacja pokazuje rzeczywistość, która przed pomiarem już istniała, nierówność jest spełniona (wynik jest <2). Ale w obserwacjach dotyczących mechaniki kwantowej - kiedy to pomiar wykreował rzeczywistość - nierówność ta spełniona już nie jest" - mówi fizyk.

KWANTY UPRASZCZAJĄ KOMUNIKACJĘ?

Nierówność Bella silnie związana jest z filozofią dotyczącą mechaniki kwantowej. Naukowcy jednak pokazali, że podejście to można powiązać z tzw. efektem redukcji złożoności informacyjnej mającym znaczenie w zupełnie innym dziale nauki o świecie cząstek - w informatyce kwantowej.

"Załóżmy, że jest bardzo wiele osób, które chcą się umówić na spotkanie i muszą znaleźć wspólne okienko przesyłając informacje na jeden z komputerów. Komputer ma więc dane z różnych miejsc i musi z nich wyliczyć łączną funkcję. Ale pytanie, jak to zrobić, wymieniając przy tym jak najmniej informacji. Ta ilość wymienianej informacji to - w uproszczeniu - złożoność komunikacyjna" - opowiada prof. Horodecki.

W klasycznych komputerach wszystko jest jasne - wiadomo, jakie są ograniczenia i że nie da się ich przeskoczyć. Ale co innego, kiedy do gry wchodzą ze swoimi możliwościami komputery kwantowe z nowymi protokołami komunikacyjnymi, wykorzystujące w przetwarzaniu informacji m.in. zjawisko superpozycji. Otóż okazuje się, że dzięki mechanice kwantowej w problemach tego typu da się ograniczyć ilość przesyłanych informacji. "Kwantowe stany pozwalają więc zmniejszyć ilość zasobów komunikacyjnych potrzebnych, żeby jakąś funkcję obliczyć. Dzięki nim można więc zmniejszyć ilość przesyłanych informacji" - tłumaczy naukowiec. Ta możliwość to tzw. redukcja złożoności komunikacyjnej.

MOSTY MIĘDZY INFORMATYKĄ A FILOZOFIĄ

Czy redukcja problemu złożoności - a więc przewaga niektórych protokołów kwantowych nad tradycyjnymi - związana jest jakoś z naturą cząstek? A więc z tym, że to dopiero pomiar "przyszpila" cząstki i ustala ich właściwości? "Prawdę powiedziawszy, to zawsze byłem przekonany, że te efekty są ze sobą powiązane. Ale okazało się, że jeszcze nikt tego nie dowiódł" - stwierdza prof. Michał Horodecki. I przyznaje, że potrzeba było sporej pracy, żeby taki związek pokazać.

"W naszej pracy pokazaliśmy, że w redukcji złożoności kwanty tylko dlatego się mogą przydać, że przed pomiarem nie można nic powiedzieć o ich cechach. Nie da się więc ich zasymulować w postaci bitów. A duża korzyść z korzystania z kwantów wynika właśnie z nierówności Bella. Gdyby rzeczywiście cecha cząstki istniała przed pomiarem, niepotrzebne byłyby nam kwanty, a wystarczyłaby tradycyjna informatyka" - opowiada naukowiec.

"Do tej pory wiedziano - mówiąc z grubsza - jak od filozofii dojść do informatyki. Natomiast nie było odwrotnego rezultatu: jak od informatyki dojść do filozofii. Czyli gdy ktoś mi pokaże jakiś protokół redukcji złożoności komunikacyjnej, mam wskazać na stojącą za nim filozofię - złamać jakąś nierówność Bella. Dzięki naszym badaniom domknęliśmy więc problem" - komentuje prof. Horodecki.

"Nasza praca nie zmierzała ku temu, by ulepszać protokoły. Chcieliśmy zbudować pomost między dwoma obszarami wiedzy. Pokazać, że to, co może być zastosowane, wiąże się z pewnym efektem filozoficznym" - zaznacza fizyk.

W badaniach brali udział naukowcy z kilku polskich uczelni zreszonych w Krajowych Centrum Informatyki Kwantowej (Uniwersytety: Gdański, Jagielloński, Adama Mickiewicza w Poznaniu, Politechnika Gdańska) oraz z Cambridge i Centrum Wiskunde & Informatika w Amsterdamie. Polscy naukowcy byli wspierani byli przez Narodowe Centrum Nauki oraz z grantów unijnych (QESSENCE, ERC Advanced Grant QOLAPS, RAQUEL).

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ ula/