Rewolucja kwantowa 2.0. Przeszłość, teraźniejszość i przyszłość fizyki kwantowej ebook

Jeśli mechanika kwantowa kogoś nie szokuje,to znaczy, że jej nie zrozumiał.

Niels Bohr

Sto lat temu świat nauki został wywrócony do góry nogami za sprawą teorii tak głębokiej i potężnej, że związane z nią określenie kwantowy weszło już na stałe do naszego słownika. W ciągu kilku lat od jej sformułowania fizyka kwantowa wyjaśniła naturę materii i sił działających w całym Wszechświecie, od cząstek subatomowych po gwiazdy, a także rozwiązała zagadki, nad którymi uczeni głowili się od dziesięcioleci. Udowodniono, że jest najlepszą teorią naukową w historii. Stanowi podstawę chemii, fizyki cząstek, materiałoznawstwa, biologii molekularnej i dużej części astronomii. Znalazła zastosowanie we wszystkich istotnych obszarach gospodarki, od górnictwa po służbę zdrowia, a nawet doprowadziła do wykształcenia się nowych gałęzi przemysłu. Urządzenia techniczne działające w oparciu o jej zasady ukształtowały współczesny świat i dzięki nim możemy korzystać z układów elektronicznych, komputerów, sztucznej inteligencji, internetu, globalnej łączności, nawigacji satelitarnej, nanotechnologii, oświetlenia LED, ekranów o wysokiej rozdzielczości i smartfonów. Lasery, tranzystory, nadprzewodniki i mikroprocesory – wszystko to są wytwory epoki kwantowej. Bez popadania w przesadę można powiedzieć, że rewolucja kwantowa, która w pełni rozpoczęła się w 1925 roku, była największym przewrotem technologicznym w dziejach.

Choć od jej powstania upłynęło już ponad sto lat, teoria kwantowa wciąż pozostaje niezwykle ważna i obecnie jesteśmy świadkami drugiej wielkiej rewolucji kwantowej, której wpływ na naukę, przemysł i społeczeństwo może być równie głęboki i dalekosiężny jak tej pierwszej. Bezpośrednią przyczyną tego drugiego przewrotu było wyodrębnienie się nowej dziedziny wiedzy, znanej jako informatyka kwantowa, która mogła powstać dzięki temu, że uczeni i inżynierowie potrafią już dziś zmieniać stan pojedynczych atomów, elektronów i fotonów, co pozwala im przetwarzać, gromadzić i przesyłać informację w niewyobrażalny do tej pory sposób. Za pomocą tej wciąż rozwijającej się technologii udało nam się opracować niemożliwe do złamania protokoły szyfrowania, zaprojektować czujniki i skanery o niespotykanych możliwościach i dokonać niezwykłych wyczynów, takich jak teleportacja, które wydają się prawdziwą magią. Przede wszystkim jednak z rozwojem informatyki kwantowej wiąże się obiecująca możliwość skonstruowania zupełnie nowego urządzenia, komputera kwantowego, o mocy obliczeniowej przewyższającej nawet najlepsze na świecie superkomputery konwencjonalne. W pełni funkcjonalny komputer kwantowy będzie niezastąpionym narzędziem w badaniach genetycznych, projektowaniu leków, modelowaniu klimatu, analizowaniu rynków giełdowych i wytwarzaniu inteligentnych materiałów. Pojawi się też jednak ryzyko użycia takiego komputera do łamania powszechnie stosowanych protokołów szyfrowania danych – to zagrożenie nazwano już nawet kwantową apokalipsą. Obecnie cały świat śledzi w napięciu rozwój sztucznej inteligencji. Powinniśmy mieć świadomość, że dziedzina nauki, dzięki której ona powstała – czyli fizyka kwantowa – połączy się z nią w najbliższej przyszłości, zdecydowanie zwiększając jej moc i zakres możliwych zastosowań. Wpływ kwantowej sztucznej inteligencji – w skrócie QAI, od angielskiego Quantum Artificial Intelligence – jest niemal niemożliwy do przewidzenia. Podobnie jak pierwsza rewolucja kwantowa rozpoczęła epokę informacji, która ukształtowała znaczną część XX stulecia, tak druga, obejmująca kwantową sztuczną inteligencję i wiele innych elementów, wpłynie na przebieg XXI wieku w sposób trudny do wyobrażenia.

Z informatyką kwantową wiąże się ogromne nadzieje, nic więc dziwnego, że badaniami w tej dziedzinie są zainteresowane rządy wielu krajów i liczne przedsiębiorstwa na całym świecie. W Wielkiej Brytanii powołano do życia National Quantum Technologies Programme (Narodowy Program Technologii Kwantowych), ponieważ „nasze życie i rozwój gospodarczy już wkrótce ulegną głębokiemu przeobrażeniu pod wpływem technologii kwantowej i rozmiar wywołanych przez nią przemian będzie porównywalny tylko z przewrotem, jaki dokonał się za sprawą wynalezienia silnika parowego, sieci elektroenergetycznej, komunikacji radiowej i elektroniki”1. Rząd Stanów Zjednoczonych w 2018 roku przyjął ustawę o inicjatywach kwantowych, natomiast prezydent Xi Jinping wezwał do wykonania „wielkiego skoku” w technologiach kwantowych. Inne kraje postąpiły podobnie2. UNESCO ogłosiła rok 2025 Międzynarodowym Rokiem Kwantowej Nauki i Technologii. Firmy starają się jak najszybciej zastosować urządzenia kwantowe drugiej generacji w sektorze finansowym, górnictwie, ochronie zdrowia, a także w przemyśle energetycznym i lotniczym, co oznacza, że nowa technologia będzie miała duże znaczenie niemal we wszystkich dziedzinach gospodarki. W trzecim corocznym raporcie Quantum Technology Monitor (Monitor Technologii Kwantowej) firma inwestycyjna McKinsey zamieściła prognozę, że w ciągu najbliższego dziesięciolecia technika kwantowa będzie podstawą usług i produktów o wartości rynkowej wynoszącej miliardy dolarów3.

Z nowymi możliwościami nieodłącznie wiążą się zagrożenia. W 1994 roku odkryto, że można napisać program na komputer kwantowy, który pozwoli złamać szyfry stosowane do zabezpieczania transakcji finansowych i przesyłania poufnych wiadomości. W efekcie ruszył nowy wyścig zbrojeń, głównie między Chinami i Zachodem, którego celem jest budowa komputerów kwantowych. Bardzo szybko dołączyły do niego wielkie firmy technologiczne, które rywalizują między sobą w dążeniu do osiągnięcia „kwantowej dominacji”. Urządzenia wykorzystujące czujniki kwantowe również rozwijają się w błyskawicznym tempie. Konwencjonalne wojskowe systemy nawigacji i wykrywania wroga stały się już przestarzałe i coraz większy nacisk kładzie się na montaż inteligentnych układów śledzących w łodziach podwodnych, pociskach i bombowcach o obniżonej wykrywalności. Dzięki zastosowaniu kwantowych czujników zagrożenia czające się obecnie w ciemnościach już wkrótce mogą być widoczne jak na dłoni. Jeśli dojdzie do połączenia kwantowych urządzeń do wykrywania celów ze sztuczną inteligencją, globalny układ sił zostanie wywrócony do góry nogami. I chociaż czujniki kwantowe okazały się niezastąpione w medycynie, to jednak projekty, w których wykorzystuje się kwantowe neuroobrazowanie do połączenia mózgu z komputerem, budzą poważne obawy natury etycznej. Jak w przypadku wszystkich przełomów technicznych, trudno jest przewidzieć na tak wczesnym etapie, jakie będą długofalowe konsekwencje stosowania nowych rozwiązań, ale możemy śmiało powiedzieć, że ktokolwiek stanie na czele drugiej rewolucji kwantowej, będzie rządził światem.

Może się więc wydać zdumiewające, że chociaż fizyka kwantowa wywiera tak ogromny wpływ na nasze życie i samopoczucie, sama bazuje na teorii, która zdaje się – mówiąc dosadnie – pozbawiona sensu. Teoria ta, czyli mechanika kwantowa, działa wspaniale, ale sugeruje, że atomy, cząsteczki, elektrony i fotony, którymi uczeni i inżynierowie tak sprawnie się posługują, nie istnieją jako określone, niezależne obiekty. Namacalny świat zwyczajnych doświadczeń rozmywa się na poziomie atomowym, tworząc nieokreśloną mieszaninę powiązanych ze sobą rzeczywistości, które przyjmują określony kształt dopiero w wyniku naszej interwencji, polegającej na przykład na wykonaniu jakiegoś konkretnego pomiaru. Zdrowy rozsądek i intuicja całkowicie nas zawodzą, kiedy próbujemy zrozumieć, co tak naprawdę dzieje się w kwantowym świecie. Gdy w latach dwudziestych XX wieku sformułowano tę teorię, mechanika kwantowa okazała się tak problematyczna, że niektórzy najwybitniejsi fizycy, między innymi Einstein, kategorycznie odrzucili wynikający z niej wniosek istnienia rozmytej rzeczywistości i starali się ze wszystkich sił zdyskredytować ją w jej powszechnie akceptowanej formie. Aby to osiągnąć, skupili się na przewidywaniu, które jest tak dziwaczne – tak „upiorne”, mówiąc słowami Einsteina – że wydawało się w sposób oczywisty absurdalne. Mam na myśli postulat, że cząstki znajdujące się po przeciwnych stronach laboratorium lub nawet galaktyki mogą być ze sobą splątane jakąś telepatyczną więzią, która nie ma swojego odpowiednika w normalnym świecie. To przewidywanie udało się sprawdzić doświadczalnie dopiero w latach osiemdziesiątych i ku konsternacji sceptyków okazało się, że natura jest tak upiorna, jak obawiał się Einstein.

Później sprawy przybrały niezwykły obrót. Fizycy uświadomili sobie, że takie splątanie na dużych odległościach można wykorzystać jako podstawowy mechanizm działania urządzeń, które zapoczątkują zupełnie nową erę w historii techniki. Tak narodziła się dzisiejsza informatyka kwantowa. Zamiast omijać dziwne zjawiska szerokim łukiem, jak robiono to przez dziesięciolecia, uczeni i inżynierowie zaakceptowali je takimi, jakie są, i zaczęli je stosować w praktyce.

Choć sukces takiego podejścia nie ulega wątpliwości, samo pogodzenie się z nieuniknioną nieoznaczonością świata kwantowego nie rozwiązało podstawowego problemu, którym jest znalezienie odpowiedzi na pytanie, w jaki sposób dobrze określona rzeczywistość naszej materialnej codzienności wyłania się z rozmytej mieszaniny jej mikroskopijnych składników. Dużym wyzwaniem jest już samo wyjaśnienie, co dokładnie oznacza, że posiadamy jakąś wiedzę o danej cząstce kwantowej. Istnieje wiele rywalizujących ze sobą interpretacji mechaniki kwantowej, a niektóre z nich odwołują się nawet do wszechświatów równoległych lub stanów fizycznych i umysłowych. Pod wpływem takich filozoficznych rozważań przeprowadzono dodatkowe badania doświadczalne, których wyniki sugerują, że świat kwantowy jest jeszcze dziwniejszy, niż nam się wydawało.

Podczas pisania tej książki przyświecał mi jeden cel: chciałem w możliwie prosty sposób wyjaśnić, czym jest mechanika kwantowa i jak działa. Aby to osiągnąć, zacznę od samego początku, a więc od sformułowania teorii kwantowej w pierwszych dziesięcioleciach XX wieku. Opiszę jej zdumiewające zastosowania techniczne i starannie wytłumaczę, czego możemy się dzięki niej dowiedzieć – a czego nie – o głębokiej naturze rzeczywistości. Podejmując to wyzwanie, musiałem się liczyć z dodatkowym utrudnieniem, którym jest najważniejsza zasada popularyzacji nauki: nie wolno stosować żadnych wzorów matematycznych! Wielu niezwykłych aspektów świata kwantowego nie można dobrze opisać słowami – nadają się do tego jedynie równania i symbole. Starałem się, najlepiej jak potrafię, wykorzystać porównania i sytuacje znane z codzienności, ale w takich przypadkach nieodmiennie pojawia się ryzyko, że można niechcący wprowadzić kogoś w błąd. Ponieważ mechanika kwantowa jest obszarem wiedzy, który wciąż się rozwija, a wśród specjalistów istnieją duże rozbieżności co do interpretacji różnych jej aspektów, czytelnik powinien mieć na uwadze, że w omawianych tu zagadnieniach przedstawiam własny punkt widzenia. Jeśli kogoś interesują alternatywne podejścia i idee, zachęcam do sięgnięcia po książki innych autorów, które wymieniłem w zamieszczonej na końcu bibliografii.

Zapraszamy do zakupu pełnej wersji książki

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Ten rozdział jest dostępnytylko w pełnej wersji książki.

Zapraszamy do zakupu

Wprowadzenie

1UK National Quantum Technologies Programme (Brytyjski Narodowy Program Technologii Kwantowych), UK Research and Innovation, Wielka Brytania, 2024, https://uknqt.ukri.org/about-us (dostęp: 3 listopada 2025). ↩

2State of Quantum 2024 Report (Raport o stanie technologii kwantowej w 2024 roku), IQM Quantum Computers, Finlandia, styczeń 2024, https://meetiqm.com/blog/state-of-quantum-2024-report/ (dostęp: 3 listopada 2025). ↩

3 McKinsey & Company, The Rise of Quantum Computing (Rozwój obliczeń kwantowych), https://www.mckinsey.com/featured-insights/the-rise-of-quantum-computing (dostęp: 3 listopada 2025). ↩