„Mechanika kwantowa stawia przed badaczami bardzo dużo fundamentalnych pytań: dlaczego działa w taki a nie inny sposób? z czego wynikają określone wyniki pomiarów systemów kwantowych? Ta wielka niewiadoma przyciągnęła mnie do tej dziedziny” - mówi dr Beata Zjawin z Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych. Naukowczyni otrzymała stypendium programu START Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej i znalazła się w gronie 100 najzdolniejszych młodych naukowców w Polsce.

Urszula Abucewicz: - Jak to jest znaleźć się wśród najzdolniejszych młodych naukowców w Polsce?

Dr Beata Zjawin: - Jest to na pewno duże wyróżnienie. Przekonanie, że badania, którymi się zajmujemy, nie tylko nas interesują, ale doceniane są przez większe grono, jest ważne i wzmacnia motywację do dalszej pracy.

Trzeba jednak pamiętać, że tych zdolnych naukowców jest na pewno więcej, a nie tylko stu. Niemniej miło jest znaleźć się w tym gronie i zobaczyć, że w Polsce pracuje się nad takimi przełomowymi badaniami.

- Pani kariera naukowa rozpoczęła się w Toruniu. To na Uniwersytecie im. Mikołaja Kopernika zajęła się Pani optycznymi zegarami atomowymi. Za tę działalność naukową też została Pani uhonorowana wieloma nagrodami i stypendiami.

- Optyczne zegary atomowe to jedne z najbardziej czułych urządzeń, jakie istnieją. Dzięki ich czułości możemy próbować badać bardzo subtelne zjawiska, takie jak na przykład te wywoływane przez ciemną materię. W astrofizyce od bardzo dawna naukowcy zadają sobie pytanie, czym ona jest, bo wiemy, że ciemna materia istnieje, choć jej nie widać. Właśnie dlatego, że to pytanie od dawna pozostaje bez odpowiedzi, naukowcy szukają różnych sposobów, żeby tę ciemną materię wykryć.

Jednym z tych naukowców jest prof. Piotr Wcisło, promotor mojej pracy licencjackiej, który wpadł na pomysł, żeby do szukania ciemnej materii użyć optycznych zegarów atomowych, które znajdują się w Toruniu. Pracowaliśmy nad tym projektem z naukowcami z Krajowego Laboratorium Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Toruniu, a ja byłam zaangażowana w proces zbierania danych i ich analizy.

- Zbadanie ciemnej materii pomogłoby odpowiedzieć na pytanie, jak powstał Wszechświat.

- Tak. Na pewno. Większość naukowców przychyla się do hipotezy, że ciemna materia istnieje. Podczas obserwacji galaktyk zauważono, że pewne obiekty zachowują się tak, jakby były dużo masywniejsze niż są naprawdę. Jesteśmy w stanie oszacować masę gromady galaktyk, a jednak coś, czego nie widzimy, zmienia sposób, w jaki one się poruszają i oddziałują ze sobą. Kiedy mówię „nie widzimy”, to dosłownie to mam na myśli, ponieważ „to coś” nie emituje i nie odbija promieniowania elektromagnetycznego. Jednocześnie, choć nie jesteśmy w stanie „tego” zaobserwować, to wykazuje właściwości podobne do tego, co nazywamy materią - stąd nazwa ciemna materia.

Na temat ciemnej materii w środowisku naukowym krąży wiele hipotez, ale wciąż nie ma zgodności na temat tego, czym jest i z czego jest zbudowana. Jeden z zaproponowanych eksperymentów próbujących wykryć ciemną materię wykorzystywał optyczne zegary atomowe. Zakładał wykorzystanie zegarów znajdujących się w różnych częściach świata, połączonych ze sobą światłowodem, aby przesyłać między nimi sygnały na bieżąco. Prof. Wcisło uprościł ten pomysł, pokazując, że można realizować takie badania, mając tylko jeden zegar. Było to przełomowe założenie, znacznie ułatwiające wykonanie eksperymentu.

Podczas badań zaangażowana byłam głownie w analizę danych z zegarów i sprawdzanie, czy znajdują się w nich jakieś znaki ciemnej materii.

- I jak? Znalazły się?

- Jakby się znajdowały, to wszyscy by o tym mówili (śmiech).

- Potem z Torunia przeniosła się Pani do Kanady. Czy tam również zgłębiała Pani istotę ciemnej materii?

- W Perimeter Institute for Theoretical Physics w Kanadzie zaczęłam zajmować się mechaniką kwantową, obroniłam pracę magisterską, a potem już na Uniwersytecie Gdańskim doktorat pod kierunkiem prof. Any Belén Sainz.

Mechanika kwantowa stawia przed badaczami bardzo dużo fundamentalnych pytań: dlaczego działa w taki, a nie inny sposób? z czego wynikają określone wyniki pomiarów systemów kwantowych? Ta wielka niewiadoma przyciągnęła mnie do tej dziedziny. Z jednej strony jest to bardzo fundamentalna dziedzina, która pojawia się w wielu obszarach naszego życia, a z drugiej strony mechanika kwantowa ma wciąż wiele niewiadomych.

W tym roku obchodzimy stulecie formalizmu matematycznego, którego dzisiaj używamy w mechanice kwantowej. Jest to więc dziedzina, która ma swoją historię oraz wiele eksperymentów na koncie, które dowiodły jej poprawności.

- W swoim doktoracie zaczęła Pani łączyć statystykę z mechaniką kwantową.

- Statystyka jest dużą częścią mechaniki kwantowej, natomiast ja zajmowałam się badaniem przyczynowości.

Badanie przyczynowości polega nie tylko na obserwacji korelacji pomiędzy dwoma zjawiskami, ale próbie zidentyfikowania, co na co wpływa w danym systemie. Czy jedno zjawisko wywołuje drugie? A może wywołuje je trzecie zjawisko i dlatego następuje korelacja pomiędzy nimi? Wciąż nie do końca wiemy, jak działa przyczynowość w mechanice kwantowej, i tego dotyczą moje badania.

- Na czym polega innowacyjność Pani badań?

- Podejście do mechaniki kwantowej od strony przyczynowości pozwoliło nam spojrzeć na niektóre protokoły kwantowe z zupełnie nowej perspektywy. Formalnie moje badania opierają się na formalizmie matematycznym, który nazywa się teorią zasobów. Pozwala on na klasyfikację zasobów kwantowych. W prostszych słowach można powiedzieć, że stworzyliśmy teorię, która mówi, co to znaczy, że jakieś zjawisko jest kwantowe. Możemy również porównywać do siebie różne zjawiska - sprawdzać, które jest „bardziej kwantowe”, a więc również bardziej przydatne w protokołach wykorzystujących zjawiska kwantowe.

Wszystkie te badania robiłam podczas mojego doktoratu pod kierunkiem promotor prof. Any Belén Sainz. Teraz w Międzynarodowym Centrum Teorii Technologii Kwantowych kontynuuję badania w podobnej tematyce. Chciałabym skupić się na implementacji wyników moich badań za pomocą komputerów kwantowych.

- Myślałam, że pracuje Pani na komputerze kwantowym (uśmiech).

- Na co dzień jestem w stanie pracować na kartce papieru, a bardziej złożone badania wykonuję za pomocą oprogramowania na moim laptopie. Chciałabym jednak również zaimplementować wyniki moich badań na komputerze kwantowym.

W mechanice kwantowej sięgamy do słownika, który pozwala nam opisywać zjawiska fizyczne dziejące się w laboratorium za pomocą wzorów matematycznych. Splątane cząstki mogę opisać za pomocą obiektu matematycznego, dynamikę czy pomiar na cząsteczce podstawiam do wzoru i opisuję je za pomocą matematyki. Operując na tych obiektach i na tych wzorach, jesteśmy w stanie przewidzieć, co się stanie w laboratorium.

Od kartki papieru do eksperymentalnego badania na komputerze kwantowym jest daleka droga. Rodzajów komputerów kwantowych jest naprawdę wiele i są to bardzo skomplikowane urządzenia, które ciężko jest modelować.

Samo sformułowanie „komputer kwantowy” jest nieco kontrowersyjne, ponieważ używa się go na określenie wielu różnych technologii. Niektórzy tak nazywają na przykład bardzo małe chipy, które będą w stanie przetwarzać informację kwantową. Inni tak mówią na systemy, które zajmują całe pomieszczenia - te budowane przez takie firmy jak np. Google. Może w niedalekiej przyszłości komputery kwantowe wejdą do naszej codzienności, ale na razie wciąż ich budowa jest w fazie eksperymentalnej i można je spotkać tylko w laboratoriach.

- Dlaczego zajęła się Pani fizyką?

- Zawsze byłam dobra z matematyki. Zastanawiałam się, jak mogłabym wykorzystać moją naturalną zdolność do nauk ścisłych i pomyślałam, że złożę dokumenty na astronomię. Wtedy nie fascynowałam się tą dziedziną, ale otoczona grupą pasjonatów, bo zazwyczaj właśnie miłośnicy astronomii ją studiują, i ja zaczęłam się nią ekscytować.

- Jakie jest Pani hobby? Jak spędza Pani czas poza pracą?

- Lubię uprawiać sporty i spędzać czas w kontakcie z naturą. Uprawiam wspinaczkę, wspinam się na ściankach wspinaczkowych w Gdańsku, ale też wyjeżdżam na wyjazdy wspinaczkowe. Jeżdżę też na rowerze po naszym Trójmiejskim Parku Krajobrazowym.

- Jakie cechy powinien mieć dobry naukowiec?

- Dobry naukowiec powinien mieć otwartą głowę, innowacyjne pomysły i jednocześnie mieć w sobie odwagę, żeby nie bać się poprosić kogoś o pomoc. W dzisiejszych czasach trudno działać w pojedynkę, bo zazwyczaj do realizacji innowacyjnego projektu potrzeba wielu osób z różnych dziedzin. Dobry naukowiec powinien więc umieć współpracować z innymi i nie bać się zadawania pytań.