KTU fizikos profesorius Arvaidas Galdikas: apie kvantinį pasaulį žinome labai daug, bet iki kvantinio kompiuterio dar toli

Ko gero visi esame girdėję apie Šredingerio katę, kuri vienu metu yra nei gyva, nei mirusi arba Alberto Einšteino prieštaravimą, kad Dievas žaidžia kauliukais. Šie ir kiti reiškiniai kalba apie kvantinę fiziką.

Bet kas toji kvantinė fizika? Kuo ypatingos kvantinės technologijos ir kaip jos gali pakeisti mūsų kasdienybę? Pasak KTU Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (MGMF) Fizikos katedros profesoriaus habil. dr. Arvaido Galdiko, kvantinės fizikos mokslas iš esmės pakeitė pasaulį, o juo grįstos naujosios technologijos kaip dabar, taip ir ateityje, vystysis labai sparčiai.

– Profesoriau, visai nieko nenusimanančiam šioje srityje, išgirdus terminą „kvantinė fizika“ pakvimpa moksline fantastika. Gal galėtumėte papasakoti, kas ta kvantinė fizika? Ką svarbiausio turėtume žinoti, kad suprastume šio mokslo esmę ir prasmę?

– Visi žinome, kad fizika paaiškina gamtoje vykstančius reiškinius. Kvantinė fizika  paaiškina mikropasaulyje – molekulių, atomų ir elementariųjų dalelių pasaulyje – vykstančius reiškinius. Mikropasaulyje vystantys reiškiniai iš esmės yra kitokie nei mus supančiame ir mums suprantamame makropasaulyje. Kad mikropasaulyje ir makropasaulyje vykstantys reiškiniai iš esmės yra kitokie, buvo suprasta XX a. pradžioje. Tada ir prasidėjo kvantinės fizikos mokslas. Prie jo ištakų buvo Maksas Plankas, Albertas Einšteinas, Nilsas Boras.

Pagrindinis skirtumas tarp makro- ir mikropasaulių yra bangų ir dalelių dualizmas, t. y. makrospasaulyje bangos ir dalelės yra atskiri objektai ir jie niekaip nesusitapatina. Mikropasaulyje – bangos ir dalelės yra viename būvyje, jos nėra atsiskyrusios. Įsivaizduokite, dalelė, pavyzdžiui, elektronas taip pat yra ir banga, ir dalelė, o banga, pavyzdžiui, matoma šviesa, yra ir dalelių (fotonų) srautas.

Mums, turintiems patirties tik makropasaulyje, visiškai neįmanoma to įsivaizduoti ir suprasti. Norint tai perprasti, buvo reikalingas visiškai naujas požiūris ir visiškai nauja teorija. Kalbant apie kvantinę teoriją, būtina paminėti vokiečių fiziką Vernerį Heizenbergą, kuris įvedė neapibrėžtumo principą, matematizavo bangų ir dalelių dualizmą ir Erviną Šredingerį, kuris sukūrė lygtį kvantinių dalelių mechaniniam judėjimui apskaičiuoti. Taip ir atsiskyrė dvi teorijos: makropasaulio, t. y. klasikinė fizika ir mikropasaulio, t. y. kvantinė fizika.

Jei reikia apskaičiuoti makropasaulio kūnų mechaninį judėjimą, sprendžiame klasikinę Izaoko Niutono dinamikos lygtį, o jei reikia apskaičiuoti mikropasaulio dalelių judėjimą – sprendžiame E. Šredingerio lygtį, kuri sujungia dalių ir bangų savybes.

Kalbant apie tuos pasaulius ir juos aprašančias teorijas, reikėtų paminėti dar ir trečią – didelių greičių (greičių, artimų šviesos greičiui) pasaulį. Tai – reliatyvistinis pasaulis, kur pasireiškia dar kitokios savybės ir jas aprašė A. Einšteino sukurta specialioji reliatyvumo teorija. Beje, reliatyvistinis pasaulis gali būti tiek klasikinis, tiek ir kvantinis, priklausomai nuo to, kas juda tais dideliais greičiais – makroskopiniai kūnai ar mikrodalelės...

– Skamba labai įdomiai. O kur kvantinės fizikos galėtume rasti mus supančioje aplinkoje? Kur taikomi kvantinės fizikos sprendimai? Technologijos?

 – Viskas sudaryta iš atomų, o kur atomai, ten ir kvantinė fizika. Tad kvantinė fizika yra visur aplink mus. Kūnai skleidžia šilumą – infraraudonuosius spindulius – ir tai jau kvantinė fizika, šviečia elektros lemputės – taip pat kvantinė fizika.

Beje, kvantinė fizika ir prasidėjo tuomet, kai M. Plankas pabandė sukurti teoriją apie įkaitintų kūnų skleidžiamą šviesą ir šilumą. Labiausiai paplitęs kvantinių dėsnių pritaikymas yra lazeris. Bet ir visi mūsų informacinių technologijų įrenginiai: kompiuteriai, mobilieji telefonai yra paremti kvantinės fizikos dėsniais, nes net ir paprasčiausią elektros srovės laidumą apsprendžia ne klasikiniai, o kvantiniai dėsniai.  

O kur dar rentgeno, gama spinduliai, be kurių neįsivaizduojama medicinos diagnostika, LED šviestukai, įvairūs spektroskopai medžiagų atpažinimui ir analizei, visi branduolinės energetikos reiškiniai ir daug kitų kasdienybe tapusių įrenginių ir technologijų.

– Kaip kvantinė fizika keitė ir keičia pasaulį? Pramonę? Žmonių kasdienybę?

– Pakeitė iš esmės. Jau minėti Rentgeno spinduliai medicinoje, lazeriai, LED‘ai, mobilieji telefonai ir dar  daug kitų dalykų, susijusių su elektroniniais procesais. Atskira sritis yra branduoliniai reiškiniai. Jų supratimas, pritaikymas ir panaudojimas irgi iš esmės pakeitė mūsų kasdienybę.

Niekam nepatinka branduoliniai ginklai, bet yra branduolinė energetika, branduolinė medicina, įvairūs medžiagų analizės metodai, paremti branduoliniais reiškiniais ir elementariųjų dalelių virsmais, pavyzdžiui, radiometrinis datavimas, kur panaudojant radioaktyviųjų izotopų savybes nustatomas iškasenų amžius.

Beje, kai kalbame apie branduolinius reiškinius, reikia prisiminti Mariją Sklodovską-Kiuri, kurios tyrimai  davė pradžią branduolio teorijai ir branduolinėms technologijoms. Ji dirbo Prancūzijoje, bet gimė, augo ir išsilavinimą įgijo Lenkijoje, o prisimenant istoriją, tuo metu XIX–XX a. sandūroje nors ir kaimyninių agresorių okupuoti, bet formaliai dar buvome viena valstybė, taigi Marija Sklodovska-Kiuri buvo mūsų valstybės, kad ir okupuotos, bendrapilietė.

– Dažniausiai, kalbant apie kvantinę fiziką, tenka išgirsti kvantinio kompiuterio sąvoką. Kas tas kvantinis kompiuteris? Ką jis pajėgus daryti? Ir kokia šios technologijos ateitis?

– Kompiuteris – tai skaitmeninė technologija, paremta diskretinėmis būsenomis: kuo daugiau būsenų, tuo viskas greičiau veikia. Tas būsenas nusako bitai ir baitai. Dabar kalbame apie megabaitus, gigabaitus terabaitus, o kvantiniame kompiuteryje galėtų būti praktiškai begalinis skaičius būsenų, taigi ir begalinis skaičius baitų. Todėl tokie kompiuteriai būtų labai greiti, maži ir naudotų labai mažai energijos. Bet – svarbiausia – skaičiavimų greitis.

Nors mums atrodo, kad šiuolaikiniai mūsų kompiuteriai yra pakankamai greiti, bet iš tikrųjų jie vis dar labai lėti. Juk jie net nesugeba vairuoti automobilio paprasčiausioje gatvėje, nesugeba greitai apdoroti informacijos, dar labai atsilieka nuo žmogaus mąstymo greičio. Na, o moksliniams skaičiavimams, jei norime nagrinėti realias dalelių sistemas, dabartiniai patys greičiausi kompiuteriai yra beviltiškai lėti...

Dabartinai kompiuteriai geba neblogai skaičiuoti 10⁶ dalelių sistemas ir tik neilgoms laiko trukmėms. Tačiau net mažame vandens laše yra 10¹⁹ dalelių. Kad galėtume nagrinėti realias dalelių sistemas (kas leistų sužinoti viską apie medžiagų savybes), mums reikia mažiausiai 10¹³ kartų greitesnių kompiuterių. Dabartinės kartos kompiuteriai niekada tokio greičio nepasieks ir viltis – tik kvantiniai kompiuteriai.

Tačiau yra daug technologinių problemų, pavyzdžiui, kaip tas kvantines būsenas „įdarbinti“, – todėl nebe reikalo progresas toks lėtas. Dar XX a. devintame dešimtmetyje, kai prasidėjo kalbos apie kvantinius kompiuterius, buvo prognozuojama, kad kvantinis kompiuteris bus sukurtas 2010 m., tačiau matome, kad tai neįvyko ir labai smarkiai vėluojama.

– Kokia šių technologijų ateitis, kaip manote?

– Ateitis aiški: plėsis, vystysis, tobulės, atsiras naujos taikymo sritys ir taip toliau. Labai dažnai esame įsprausti į tam tikrus technologinius rėmus, neleidžiančius praktikoje pritaikyti kvantinių dėsnių ir reiškinių, bet bėgant laikui technologijos tobulėja ir tas, kas atrodė neįmanoma, pasidaro įmanoma.

Pavyzdžiui, lazeriai. Teoriškai jų egzistavimą numatė dar A. Einšteinas XX a. 3-iajame dešimtmetyje. Tik tuomet tai buvo gryna teorija, atrodė, neįmanoma jos pritaikyti. Visgi, praėjus 30 metų, buvo surastas būdas tai įdėjai realizuoti. Pirmasis lazeris buvo pagamintas tik 6-ajame dešimtmetyje, praėjus daugiau kaip 30 metų nuo teorinės idėjos.

Daug dabartinių teorinių darbų savo pritaikymų susilauks tik negreitoje ateityje. Dažnai yra skeptiškai žiūrima į teoretikų darbus, nematoma jų pritaikomumo prasmė, tačiau tai tik trumparegiško mąstymo rezultatas...

– Pasaulio ekonomikos forumas (PEF) 2020-aisiais paskelbė top 10 technologijų, kurios turi didžiausią potencialą. Viena jų, Quantum Sensing (liet. kvantinis jutiklis), itin tikslūs matavimai, pagrįsti subatominės srities ypatumais, rašoma PEF, gali atverti kelius tokioms technologijoms, kurios gali „matyti už kampo“, povandeninėms navigacijos sistemoms, ankstyvo įspėjimo apie artėjančius ugnikalnių išsiveržimus ir pan. Ką apie tai manote?

– Matyti „iš už kampo“ galima ir su paprasčiausiu periskopu. Man, kaip mokslininkui, įdomūs gamtos dėsniai ir gebėjimas juos aprašyti matematinėmis lygtimis, apskaičiuoti ir numatyti gamtoje vykstančius procesus ir reiškinius. Be abejonės, pritaikymai ir technologijos svarbūs žmonių gyvenime, bet palikime tai inžinieriams.

– Jūs esate matematinio modeliavimo ekspertas. Kaip atliekami „teoriniai eksperimentai“? Kokie būna kvantinės fizikos realūs eksperimentai? Kokius kasdienius fizikos reiškinius kvantinė fizika leido suprasti giliau?

– Pirmiausia, tai šviesa ir visos elektromagnetinės bangos. Įvedus fotonų sąvoką, buvo paaiškinti svarbūs šviesos reiškiniai, fotoefektas, lazeriai ir kt., kurie dabar jau turi platų pritaikymą ir pasaulis be jų neįsivaizduojamas. Taip pat ir branduoliniai reiškiniai. Branduolinės technologijos dar tikrai yra kūdikystės amžiuje. Juk net ir to paties viduramžių alchemikų išsvajoto aukso branduolinėmis technologijomis galima būtų „išsivirti“.

Viduramžių alchemikai nebuvo tokie neteisūs, kai iš „nekilmingo“ metalo norėjo išgauti auksą – tai, pasirodo, yra įmanoma ir čia nereikia jokios magijos, o tik atitinkamos technologijos ir didelės energijos. Nereikės raustis žemėje ieškant atitinkamų cheminių elementų, galima bus jų pasigaminti pritaikant elementariųjų dalelių reakcijas ir branduolinius virsmus.

Ir vėl ačiū mūsų Marijai Kiuri, kurios pradėti tyrimai veda prie šių dalykų. Beje, KTU MGMF Fizikos katedra, koordinuojant docentei dr. Brigitai Abakevičienei, edukacijos sityje aktyviai bendradarbiauja su CERN laboratorija, kur būtent ir vykdomi elementariųjų dalelių virsmų ir branduolinių reakcijų tyrimai, yra tų tyrimų pagrindinis centras Europoje.  

– Žvelkime dar giliau. Tamsioji energija ir Tamsioji medžiaga? Ar kvantinė fizika leistų/leidžia suprasti šias visatos pažinimo paslaptis?

– Niekas nežino, kas ta tamsioji energija ir kas ta tamsioji medžiaga. Ji įvesta grynai teoriškai, kad paaiškintume greitėjantį Visatos plėtimąsi. Šiaip, po Didžiojo sprogimo, Visatos plėtimasis dėl gravitacinių jėgų veikimo turėtų lėtėti, bet nustatyta, kad greitėja.

Jokio kito paaiškinimo niekas nesugalvojo, tad įvedė „tamsiosios medžiagos“ sąvoką, kurios savybė yra greitinti Visatos plėtimąsi. Kitų jos savybių mes nežinome ir, tiesą pasakius, tai kelia nerimą. Atrodė, kad apie medžiagas žinome beveik viską, viską žinome ir apie atomus, molekules, o pasirodo...

Be abejo, tai grynai teorinis modelis. Galima būtų vertinti skeptiškai ir viską neigti, bet prisiminkime Nikolajų Koperniką, kuris grynai teoriškai apskaičiavo (žinoma, remdamasis stebėjimais), kad planetos, kartu ir Žemė, sukasi apie Saulę (o ne apie Žemę). Tada tai atrodė eretiška, ne vieną sudegino ant laužo už tokias mintis, bet galiausiai tai pasitvirtino, ir Vatikanas už tuos savo poelgius atsiprašė.

Panašiai yra su tamsiąja energija, tik už šią idėją, skirtingai nei viduramžiais, buvo suteikta Nobelio premija. Be to, tamsiosios medžiagos egzistavimas paaiškina ir žvaigždžių sukimąsi apie galaktikų centrus galaktikose. Žvaigždžių sukimasis apie galaktikų centrus turi vykti pagal tuos pačius Johaneso Keplerio dėsnius, kaip ir planetų sukimasis apie Saulę. Tačiau taip nėra ir tik tamsiosios medžiagos buvimas sustato visą teorijos galiojimą į savo vietas – viskas vyksta pagal J. Keplerio dėsnius, tik dabar jau su tamsiąja medžiaga. O tai vėl primena N. Koperniko atradimus.

Beje, J. Kepleris tik patobulino N. Koperniko teoriją įvesdamas elipsines planetų trajektorijas vietoj apskritiminių. N.Koperniku mes taip pat turėtume didžiuotis lygiai taip, kaip ir Marija Kiuri. Jis gimė, augo ir dirbo Lenkijoje, o tada Lietuva ir Lenkija buvo viena karalystė. J. Keplerį galima laikyti pirmuoju tikruoju šiuolaikiniu mokslininku, jis pirmas matematiką iškėlė aukščiau už „sveiką protą“.

Žmogaus protas yra apribotas įvairių patirčių ir tik matematika gali veikti neribotai. N.Kopernikas tai padarė atsisakydamas „sveiku protu“ paaiškinamo ir religiniu samprotavimu grįsto dangaus kūnų sukimosi apie Žemę ir atiduodamas laisvę matematikai, kuri rodė, kad planetų sukimosi centras yra Saulė, o Žemė viso labo yra tik eilinė planeta.

Panašiai yra ir su visa kvantine fizika. Gyvendami makropasaulyje mes neturime patirties suprasti mikropasaulio dėsnių, bet galime apskaičiuoti ir pritaikyti mikroprocesus pasitelkdami matematiką ir matematines lygtis ir, beje, kompiuterius bei kitas informacines technologijas.

Ir dar apie tą jau minėtą Šredingerio katę, kuri vienu metu yra nei gyva, nei mirusi arba kartu ir tai, ir tai. Tiesiog čia neatsisakoma matematinių sprendinių ir jų superpozicijos (sprendinių suma irgi yra sprendinys), nors jie „sveiku protu“ sunkiai suvokiami. Tai atrodė keista pačiam E. Šredingeriui.

Bet kvantinė fizika yra ne apie kates ir tas palyginimas tikrai nėra geras, tik, kažkaip, to meto žiniasklaidos nepelnytai išpopuliarintas. Matematinių sprendinių neatmetimas leido kvantinėje fizikoje surasti svarbius dėsningumus, naujas daleles. Taip buvo dalelės suklasifikuotos į bozonus ir fermionus, surastos antidalelės, kvarkų simetrija ir t.t.