Titani kvantne fizike osvojili nagradu za proboj


Dok se milijarde dolara slijevaju u kvantno računanje a zemlje grade komunikacijske mreže osigurane kvantnom enkripcijomthe istaknutost kvantne informacijske znanosti postalo je sve teže ignorirati.

Ovogodišnja nagrada za proboj u fundamentalnoj fizici odaje počast četvorici pionira koji su spojili matematiku, informatiku i fiziku kako bi napravili “temeljni rad na polju kvantnih informacija”. Nagradu dijele Charles Bennett iz IBM-a, Gilles Brassard sa Sveučilišta Montreal, David Deutsch sa Sveučilišta Oxford i Peter Shor s Massachusetts Institute of Technology.

“Ova četvero ljudi stvarno su uvelike pridonijela pojavi kvantne teorije informacija”, kaže Nicolas Gisin, eksperimentalni kvantni fizičar sa Sveučilišta u Ženevi. “Lijepo je vidjeti da su mi ove nagrade prirasle srcu.”

Nagradu Breakthrough Prizes suutemeljio je izraelsko-ruski milijarder i fizičar Yuri Milner 2012. godine, a izdašno su ih podržali drugi moguli, uključujući suosnivače Marka Zuckerberga i Sergeya Brina. Slično Alfredu Nobelu, čije je bogatstvo financirano Nobelovom nagradom proizašlo iz njegovog izuma dinamita, Milnerove prošle financijske veze s Kremljom izazvale su pozornost, posebno u svjetlu ruske invazije na Ukrajinu koja je u tijeku. Milner je u prethodnim intervjuima isticao svoju neovisnost i donacije ukrajinskim izbjeglicama. Glasnogovornik je istaknuo Scientific American da se Milner preselio u SAD 2014. i od tada se nije vratio u Rusiju.

Ali priznanje za kvantnu informacijsku znanost nije uvijek dolazilo lako – ili uz takvu financijsku potporu. Općenito govoreći, polje je kombinacija dviju teorija: kvantne mehanike, koja opisuje kontraintuitivno ponašanje atomskog i subatomskog svijeta, i informacijske teorije, koja detaljno opisuje matematička i fizička ograničenja računanja i komunikacije. Njegova je povijest neurednija priča, sa sporadičnim napretkom koji su konvencionalni znanstveni časopisi često previđali.

Godine 1968. Stephen Wiesner, tada diplomirani student na Sveučilištu Columbia, razvio je novi način kodiranja informacija polariziranim fotonima. Između ostalog, Wiesner je predložio da se inherentno krhka priroda kvantnih stanja može koristiti za stvaranje otpornih na krivotvorine kvantni novac. Budući da nije mogao objaviti mnoge svoje opojne teorijske ideje i privučen religijom, Wiesner, koji je umro prošle godine, uglavnom je napustio akademsku zajednicu kako bi postao građevinski radnik u Izraelu.

Prije nego što je Wiesner napustio Columbiju, prenio je neke od svojih ideja drugom mladom istraživaču. “Jedan od momaka mojih cimera bio je Stephen Wiesner, koji mi je počeo pričati o svom ‘kvantnom novcu’,” prisjeća se Bennett. “[It] učinilo mi se zanimljivim, ali nije se činilo kao početak potpuno novog polja.” U kasnim 1970-ima Bennett je upoznao Brassarda i njih su dvojica počeli razgovarati o Wiesnerovom novcu, za koji su mislili da bi mogao zahtijevati nevjerojatan zadatak hvatanja fotona zrcalima kako bi se stvorila kvantna novčanica.

“Fotoni nisu namijenjeni da ostanu – oni su namijenjeni da putuju”, kaže Brassard, objašnjavajući misaoni proces. “Ako putuju, što je prirodnije od komunikacije?” Protokol Bennett i Brassard zaprosionazvao BB84, pokrenuo bi polje kvantne kriptografije. Kasnije detaljno i populariziran u Scientific American, BB84 omogućio je dvjema stranama razmjenu poruka u najvećoj tajnosti. Ako bi treća strana njuškala, ostavila bi neizbrisiv dokaz svog uplitanja – poput oštećenja kvantnog voštanog pečata.

Dok su Bennett i Brassard razvijali kvantnu kriptografiju, počela se pojavljivati ​​još jedna radikalna ideja: kvantno računalstvo. Na danas poznatom sastanku u MIT Endicott Houseu u Dedhamu, Massachusetts, u svibnju 1981., fizičar Richard Feynman zaprosio da bi računalo koje koristi kvantne principe moglo riješiti probleme nemoguće za računalo vezano zakonima klasične fizike. Iako nije prisustvovao konferenciji, Deutsch je čuo za ideju i bio zapeo. “Postupno sam se sve više uvjeravao u veze između računalstva i fizike”, kaže.

Razgovarajući s Bennettom kasnije te godine, Deutsch je doživio ključnu epifaniju: tada prevladavajuća računalna teorija temeljila se na pogrešnoj fizici – “klasičnoj” mehanici Isaaca Newtona i relativističkom pristupu Alberta Einsteina, a ne na dubljoj kvantnoj stvarnosti. “Pa sam pomislio da bih ponovno napisao teoriju računanja, temeljeći je na kvantnoj teoriji umjesto na klasičnoj teoriji”, kaže Deutsch bezbrižno. “Nisam očekivao da će iz toga izaći nešto bitno novo. Samo sam očekivao da će biti rigorozniji.” Ubrzo je, međutim, shvatio da jest opisivanje potpuno drugačija vrsta računala. Čak i ako je postigao iste rezultate, to je postigao s načelima kvantne mehanike.

Deutschova nova teorija pružila je ključnu vezu između kvantne mehanike i teorije informacija. “Učinio mi je kvantnu mehaniku dostupnom u mom jeziku računalne znanosti,” kaže Umesh Vazirani, informatičar sa Sveučilišta Kalifornija, Berkeley. Kasnije, s australskim matematičarom Richardom Joszom, Deutsch predloženo, kao dokaz načelaprvi algoritam koji bi bio eksponencijalno brži od klasičnih algoritama—iako nije učinio ništa praktično.

Ali ubrzo su se pojavile korisnije aplikacije. Godine 1991. Artur Ekert, tada diplomirani student na Oxfordu, zaprosio novi kvantni kriptografski protokol, E91. Tehnika je privukla pozornost mnogih fizičara zbog svoje elegancije i praktičnosti—kao i činjenice da je objavljena u vodećem časopisu za fiziku. “To je prekrasna ideja. Pomalo je iznenađujuće da Ekert nije dio popisa dobitnika ovogodišnje fundamentalne nagrade za proboj u fizici, kaže Gisin.

Dvije godine kasnije, kada su Bennett, Brassard, Josza, istraživač informatike Claude Crépeau i fizičari Asher Peres i William Wootters predložili kvantna teleportacija, fizičari su obraćali pozornost. The nova tehnika dao bi jednoj strani mogućnost prijenosa informacija, kao što je rezultat bacanja novčića, drugoj putem zapetljanost, kvantna korelacija koja može povezati objekte kao što su elektroni. Unatoč popularnim znanstveno-fantastičnim tvrdnjama, ova tehnika ne dopušta poruke brže od svjetlosti— ali dramatično je proširio mogućnosti kvantne komunikacije u stvarnom svijetu. “To je najnevjerojatnija ideja”, kaže Chao-Yang Lu, kvantni fizičar na Sveučilištu znanosti i tehnologije u Kini, koji je pomogao implementirati tehniku iz svemira.

Riječi kao što je “revolucija” pretjerano se koriste za opisivanje napretka u znanosti, koji je obično mukotrpan i inkrementalan. Ali 1994. Shor je tiho započeo jedan. Dok je radio u AT&T Bell Laboratories, upijao je govore Vaziranija i Bennetta. “Počeo sam razmišljati o tome koje korisne stvari možete učiniti s kvantnim računalom”, kaže. “Mislio sam da je to velika šansa. Ali bilo je to vrlo zanimljivo područje. Pa sam počeo raditi na tome. Zapravo nisam nikome rekao.”

Nadahnut uspjehom koji su drugi kvantni algoritmi imali sa zadacima koji su bili periodični ili ponavljajući, Shor je razvio algoritam koji je mogao podijeliti brojeve na njihove proste faktore (na primjer, 21 = 7 x 3) eksponencijalno brže od bilo kojeg klasičnog algoritma. Implikacije su odmah bile očite: primarna faktorizacija bila je okosnica moderne enkripcije. Napokon su kvantna računala imala praktičnu primjenu koja je doista promijenila igru. Shorov algoritam “samo sam apsolutno jasno rekao da morate odbaciti sve” kako biste radili na kvantnom računalstvu, kaže Vazirani.

Iako je Shor pronašao moćan slučaj upotrebe kvantnog računala, nije riješio teži problem kako ga izgraditi – čak ni u teoriji. Krhka kvantna stanja koja su takvi uređaji mogli iskoristiti da nadmaše klasično računalstvo također su ih učinila iznimno osjetljivima na pogreške. Štoviše, strategije ispravljanja pogrešaka za klasična računala nisu se mogle koristiti u kvantnim računalima. Nepokoleban, na konferenciji o kvantnom računalstvu u Torinu, Italija, 1995. Shor se kladio na druge istraživače da bi kvantno računalo faktoriziralo 500-znamenkasti broj prije nego što je to učinilo klasično računalo. (Čak i s današnjim klasičnim superračunalima, rastavljanje 500 znamenki vjerojatno bi trajalo milijarde godina.) Nitko nije prihvatio Shorovu okladu, a neki su tražili treću opciju: da će sunce prvo izgorjeti.

Dvije vrste pogrešaka muče kvantna računala: bitne pogreške i fazne pogreške. Te su pogreške slične okretanju igle kompasa sa sjevera na jug ili s istoka na zapad. Nažalost, ispravljanje pogrešaka u bitovima pogoršava fazne pogreške i obrnuto. Drugim riječima, precizniji smjer prema sjeveru rezultira manje točnim smjerom prema istoku ili zapadu. Ali kasnije 1995. Šor shvatio kako kombinirati korekciju bita i faznu korekciju—lanac operacija sličan rješavanju Rubikove kocke bez mijenjanja završene strane. Shorov algoritam ostaje neučinkovit sve dok kvantna računala ne postanu snažnija (najveći broj faktoriziran algoritmom je 21, tako da klasično faktoring ostaje u prednosti — za sada). Ali ipak je kvantno računalstvo omogućilo, ako ne i praktično. “Tada je cijela stvar postala stvarnost”, kaže Brassard.

Sav ovaj rad doveo je do novi pogledi na kvantnu mehaniku i računalstvo. Za Deutscha je to nadahnulo još temeljniju teoriju o “konstruktorima” – koji, kako kaže, opisuju “skup svih fizičkih transformacija”. Drugi ostaju agnostici glede vjerojatnosti daljnjih dubokih uvida koji proizlaze iz kvantnog carstva. “Kvantna mehanika je stvarno čudna i mislim da nikada neće postojati neki jednostavan način za njezino razumijevanje”, kaže Shor. Upitan čini li njegov rad na kvantnom računalstvu prirodu stvarnosti lakšom ili težom za razumijevanje, vragolasto kaže: “Svakako je čini tajanstvenijom.”

Ono što je započelo kao zabava ili eklektična intelektualna potraga sada je daleko nadišlo mnoge od najluđih zamisli pionira na tom području. “Nikad nismo mislili da će to ikada postati praktično. Bilo je jako zabavno razmišljati o tim ludim idejama,” kaže Brassard. “U jednom trenutku smo zaključili da smo ozbiljni, ali ljudi nas nisu pratili. Bilo je frustrirajuće. Sada kada je to prepoznato u tolikoj mjeri iznimno je zadovoljavajuće.”