Kaj nam sporočajo kvanti?

    Spraševati se, kaj je največje odkritje stoletja ali najpomembnejši izum tisočletja, je na prvi pogled naivno in dolgočasno. Kot da bi lahko iz množice velikih spoznanj človeštva z lahkoto izluščili nekaj resnično posebnega in izbiro še dobro argumentirali. Vendar šele takšna naivno preprosta vprašanja kakega prijaznega novinarja marsikaterega strokovnjaka prisilijo k razmisleku, za katerega si sicer ne bi vzel časa.

    Odkritje naključja

    Izbor najpomembnejšega odkritja preteklega stoletja, ki ga je v eseju Sporočilo kvanta v reviji Nature lani objavil avstrijski fizik Anton Zeilinger, nas bo gotovo presenetil. Takole je zapisal: »Odkritje, da so posamezni dogodki neodpravljivo naključni, je verjetno eno od najpomembnejših odkritij dvajsetega stoletja. Pred tem smo se lahko izgovarjali, da so naključni dogodki samo navidezno naključni, ker o naravi ne vemo dovolj. […] A za posamezne dogodke v kvantni fiziki vzrokov ne le ne poznamo, ampak jih sploh ni. […] Prav ničesar ni v Vesolju, kar bi določalo, kako se bo dogodil posamezni dogodek.«

    Kvantne fizike menda nihče ne razume. Tako vsaj pravijo nekateri ugledni fiziki, ki so za svoje raziskave kvantnega sveta prejeli tudi Nobelove nagrade. Z nerazumevanjem imajo običajno v mislih predvsem nenavadne lastnosti kvantnih delcev, ki jih nikakor ni mogoče pojasniti s prispodobami iz nam domačega vsakdanjega sveta. Kvantni delci so prismuknjeni, kot je nekoč izjavil Richard Feynman, a vsi enako: lahko sočasno potujejo po več poteh, so na več krajih hkrati, imajo nezdružljive lastnosti, a jih to nič ne moti.

    Fizik, ki je teleportiral delce

    Anton Zeilinger je danes gotovo eden od najpomembnejših kvantnih fizikov. Pred nekaj leti je zaslovel z uspešnimi poskusi teleportacije kvantnih delcev, ki so še posebno navdušili ljubitelje znanstvene fantastike, dosegli pa so tudi naslovnico najbolj znanih znanstvenih revij. Govori se tudi, da je resen kandidat za Nobelovo nagrado.

    Lani je v slovenskem prevodu izšla njegova zelo dobra knjiga z naslovom Einsteinova tančica, novi svet kvantne fizike, ki je prijetno popestrila zelo omejeno ponudbo poljudnih del o kvantni fiziki v našem jeziku. Velika vrednost Zeilingerjeve knjige je v primerjavi s sorodnimi poljudnimi predstavitvami kvantnega sveta ta, da jo je pisal strokovnjak za eksperimentalno kvantno fiziko. Večino poljudnih knjig o tej temi so namreč napisali teoretiki, ki sicer natančno vedo, kako se opravijo vsi poskusi, a praviloma še nikoli niso bili zraven. Zeilinger je pravi eksperimentalec, saj nam pred oči vedno nazorno preslika tudi samo zgradbo dejanskih poskusov in ne samo posebno izbranih idealnih primerov.

    Kaj vsa ta kvantna čudnost zares pomeni?

    Čeprav se je Zeilinger vrsto let ukvarjal predvsem z eksperimentalno kvantno fiziko in je študiral kvantno teleportacijo, kvantno kriptografijo, kvantne računalnike, interferenčne poskuse z večatomskimi molekulami (vse to natančno, jasno, razumljivo in pregledno predstavi v knjigi), zadnja leta veliko piše tudi o interpretacijah kvantne fizike oziroma o težavah s preprostim vprašanjem: kaj vsa ta kvantna čudnost zares pomeni?

    Leta 1996 se je lotil kritičnega branja literature o interpretacijah kvantne mehanike, s poudarkom na idejah, ki so jih očetje nove fizike zapisali v svojih zasebnih pismih. Spoznanja je zbral v preglednem članku, v katerem je ugotovil, da potrebuje kvantna fizika jasno formulirano temeljno načelo, ki bi povzelo njeno bistvo.

    Osnovna načela teorije relativnosti so, zelo poenostavljeno rečeno, da nič ne more potovati hitreje kot svetloba, da so zakoni narave enaki za vse opazovalce in da ne moremo ločiti med gravitacijo in pospeševanjem. Nekaj enako preprostega, razumljivega in univerzalnega po Zeilingerjevem potrebuje tudi kvantna fizika.

    Po treh letih premišljevanja je leta 1999 končno objavil članek A Foundational Principle for Quantum Mechanics, v katerem je oblikoval osnovno načelo kvantne teorije po zgledu načela relativnosti in ekvivalentnosti v teoriji relativnosti. Njegov predlog za temeljno načelo kvantne fizike je: Elementarni sistem nosi en bit informacije.

    Najmanjši nosilci informacije

    Seveda se nam takoj zastavi vprašanje, kaj sploh je informacija in kaj je elementarni sistem. Kot sam pravi: »Informacija ni navsezadnje nič drugega kot odgovor na postavljena vprašanja.« Bit je najmanjša informacija, ki še lahko nekaj pomeni. Je najmanjša in nedeljiva enota informacije. Je preprosto ugotovitev, ali je neka trditev resnična ali ni. Lahko bi rekli tudi, da je rešitev za vprašanje, ki ima le dva mogoča odgovora: da in ne. En bit informacije lahko preprosto predstavimo s pristnostjo ali odsotnostjo signala: vklopljeno ali izklopljeno lučko, magnetizacijo na delčku trdega diska, vdolbinico na površini zgoščenke.

    Ko je Zeilinger razmišljal o informaciji v kvantnem svetu, si je zastavil tudi pomembno vprašanje, kakšna je povezava med fizično velikostjo nekega sistema in količino informacij, ki jih lahko nosi. Dvakrat manjši sistem lahko verjetno nosi le dvakrat manj informacij. In če neki sistem vedno znova delimo na polovico, prej ali slej trčimo ob mejo, ko lahko naš mali sistem nosi le eno samo informacijo. Le en sam bit informacije. Tako je Zeilinger opredelil elementarni sistem kot nosilec enega samega bita informacije.

    Kubiti in biti

    Ko se je čedalje več fizikov začelo zanimati za informacijske probleme v kvantnem svetu, se je za Zeilingerjev elementarni nosilec informacije začel uveljavljati izraz kvantni bit ali skrajšano kubit (ang. qubit). Kubit je torej osnovni nosilec kvantne informacije. Je nekakšen atom kvantnega pomena. In Zeilingerjevo temeljno načelo bi lahko prek novega pojma oblikovali tudi takole: »Iz enega kubita lahko iztisnemo le en bit informacije.« En bit ustreza enemu kubitu.

    A težava kubitov je, da se jih ne da podvajati. Kubita ne moremo klonirati, ne da bi pri tem uničili izvornega kubita, ki ga želimo podvojiti. Posameznega kubita prav tako nikoli ne moremo povsem natančno prebrati. Če bi ga namreč lahko s kakim postopkom namnožili, bi ga lahko z velikim številom natančno enakih kopij povsem proučili in opredelili. A ker ga ne moremo podvajati, z eno samo meritvijo pa lahko dobimo iz enega kubita le en bit informacije, ostaja kvantni svet v svojem bistvu vedno deloma naključen.

    Po Zeilingerju izvirajo vse težave iz tega, da je informacija kvantizirana. O svetu preprosto ne moremo pridobiti manj kot enega bita informacije. To je absolutni minimum, ki hkrati pomeni, da je resolucija samega sveta omejena z enim bitom informacije. Iz enega kubita lahko preberemo le en bit informacije. Kubit lahko odgovori le na eno samo vprašanje. Če ga v obliki nadaljnjih eksperimentov sprašujemo še naprej, bo odgovarjal neumnosti oziroma bodo odgovori objektivno naključni, kot temu pravi Zeilinger.

    Sporočilo kvantov

    Temeljni problem kvantne fizike je prav to neskladje med kubitom in bitom. Kubit nosi več regularnosti, kot je lahko iz njega razberemo. Zeilinger pravi: »Kaj je torej sporočilo kvantov? Predlagam, da pogledamo na vse skupaj iz novega zornega kota. Iz zgodovine fizike smo se naučili, da ni dobro delati delitev, ki niso osnovane – kot so pred Newtonom razlikovali med zakoni na Zemlji in zakoni, ki usmerjajo gibanja nebesnih teles. Na podoben način predlagam, da ne moremo narediti razlike med realnostjo in našim poznavanjem realnosti, med realnostjo in informacijo. Na realnost se ni mogoče naslavljati, ne da bi uporabili informacijo, ki jo imamo o njej.«

    Tako kot temelji posebna teorija relativnosti na nezmožnosti razločevanja med inercialnimi opazovalci (načelo relativnosti) in splošna teorija relativnosti na nezmožnosti razlikovanja med gravitacijo in pospeševanjem (načelo ekvivalentnosti), tako naj bi kvantna teorija temeljila na nezmožnosti razlikovanja med resničnim svetom in informacijo o njem: »Naravni zakoni ne smejo ločiti med resničnostjo in informacijo.«

    Objektivna naključnost

    Pri kvantni fiziki ni težava v tem, da naj bi bile zgolj naše spoznavne zmožnosti preozke za dojemanje vse pestrosti kvantnega sveta, temveč je v samo zgradbo sveta vpisano neodpravljivo naključje, ki ni le problem naših omejenih spoznavnih zmožnosti, ampak je to naključje povsem neodvisno od nas. Zeilinger pravi, da je to objektivno naključje: »Izid posamezne meritve ostaja zaradi končnosti informacije objektivno naključen. Menim, da je naključnost posameznega dogodka najmočnejši pokazatelj tega, da ‘tam zunaj’ obstaja od nas neodvisna realnost. Morda bi bila ta ideja navsezadnje všeč tudi Einsteinu.«