„Stuprocentowe zrozumienie mechaniki kwantowej nie jest potrzebne do tego, aby budować nowe technologie” - mówi mgr Paweł Cieśliński z Instytutu Fizyki Teoretycznej i Astrofizyki oraz Międzynarodowego Centrum Teorii Technologii Kwantowych. Naukowiec otrzymał stypendium Start Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej i znalazł się w gronie 100 najzdolniejszych młodych naukowców w Polsce.

Urszula Abucewicz: - Jak to jest być jednym z najzdolniejszych młodych naukowców w Polsce?

Paweł Cieśliński: - Jest to na pewno duże wyróżnienie i motywacja do dalszej pracy. Cieszę się, że moje badania zostały docenione. Niemniej w Polsce młodych, wybitnych naukowców jest o wiele więcej niż stu, a na świecie jest ich znacznie więcej.

- Dlaczego zajął się Pan mechaniką kwantową?

- Podczas studiów z fizyki rozważałem wiele różnych dziedzin, którymi chciałbym się zajmować, ale mechanika kwantowa była tym, co chwyciło mnie za serce.

- Dlaczego?

- Mechanika kwantowa stawia wiele otwartych i niezwykle ciekawych pytań, a formalizm matematyczny, z którego na co dzień korzystam, okazał się dla mnie najbardziej przystępny.

- Może się wydawać, że mechanika kwantowa wymyka się prawom logiki i jest sprzeczna z intuicją.

- Rzeczywiście początkowo wiele zagadnień z fizyki kwantowej może się wydawać nieintuicyjnymi, ale wynika to z tego, że w codziennym życiu nabywamy coś, co my - fizycy - nazywamy „klasycznymi intuicjami”, czyli takimi związanymi z życiem codziennym. Zgodnie z nimi faktem obiektywnym jest przykładowo to, że ten stół znajduje się dokładnie w tym miejscu. W mechanice kwantowej takie definitywne stwierdzenia są już rzadkością. Jednak jeżeli wyzbędziemy się tych klasycznych intuicji i spojrzymy trochę głębiej na świat, to nabierzemy nowych intuicji. Po jakimś czasie intuicje kwantowe stają się bardziej naturalne niż te wynikające z życia codziennego.

- Spotkałam się z takim określeniem, że „teoria kwantów to teoria krojenia wszystkiego. Przy czym teoria kwantów uczy nas, że prawdopodobnie niczego nie możemy dzielić bez końca, że fizyczna rzeczywistość pozostaje na swój sposób ziarnista”. Stołu, przy którym siedzimy, nie da się więc dzielić bez końca?

- Dokładnie tak jest. Po podzieleniu stołu na mniejsze części, dojdziemy do molekuł, następnie otrzymamy atomy, a te - jak wiemy - składają się z elektronów i jądra, które tworzą nukleony. One natomiast składają się z cząstek elementarnych i już bardziej nie możemy podzielić naszego stołu. Warto przy tym zauważyć, że już co najmniej molekuły wykazują zachowanie kwantowe, podobnie jak atomy i kolejne cząstki elementarne.

Kwantem będzie najmniejsza dająca się wyodrębnić porcja każdego pola kwantowego (np. foton w przypadku pola elektromagnetycznego, czyli światła). W pewien więc sposób mógłbym się zgodzić z tym stwierdzeniem, że teoria kwantów to teoria krojenia. Kroimy, aż dojdziemy do momentu, w którym już więcej nie da się kroić.

- Odnoszę wrażenie, że żyjemy trochę w dwóch równoległych światach: w świecie, którego możemy dotknąć i w mikroświecie, który próbujemy zbadać.

- Jest to dzisiaj jeden z głównych trendów w badaniach dotyczących mechaniki kwantowej. Naukowcy próbują zrozumieć fundamentalne prawa, które rządzą mikroświatem, ale też dowiedzieć się, czy istnieje granica pomiędzy tym, co opisuje mechanika kwantowa, a tym, czego doświadczamy na co dzień. Jest wiele różnych szkół i interpretacji. Wielu naukowców zastanawia się, czy są to dwa odrębne światy, czy może jest pomiędzy nimi płynne przejście. A może tego przejścia nigdzie nie ma, tylko nam się wydaje, że świat, w którym żyjemy, nie jest kwantowy? Dziś jest to niezwykle ciekawy i istotny problem.

- Mechanika kwantowa ma wciąż wiele niewiadomych, nie dziwię się, że fascynuje tak wielu badaczy. O jednym z Pana badań pisano w mediach, że trzeba będzie zmieniać podręczniki.

- Ten w dużej mierze chwytliwy tytuł artykułu ma w sobie dużo prawdy. Wnioskując o stypendium Start, przedstawiłem m.in. rezultaty badań dotyczące zagadnienia, które wcześniej wielu ekspertom wydawało się niemożliwe. Wykazaliśmy, że szczególne korelacje kwantowe (tzw. korelacje nielokalne lub typu Bella) mogą być współdzielone w grupie dowolnie wielu cząstek. Korelacje te to pewne powiązania pomiędzy różnymi cząstkami, na które zwykła fizyka nie pozwala. Tymczasem w fizyce kwantowej owe powiązania są zarazem mniej oczywiste i o wiele silniejsze niż w fizyce klasycznej (niekwantowej). Wcześniej uważano, że występują na tym polu fundamentalne ograniczenia. Takie także istnieją, ale są o wiele mniej rygorystyczne, niż myślano.

W badaniach, które prowadziliśmy pod kierunkiem prof. Wiesława Laskowskiego razem z prof. Tomaszem Paterkiem z UG, a także z grupą z Debreczyna z Węgier i z Monachium z Niemiec, wykazaliśmy zarówno teoretycznie, jak i eksperymentalnie, że korelacje nielokalne mogą być współdzielone w grupie dowolnie wielu cząstek. Do tej pory zakładano, że gdy np. cząstki A, B i C mają nielokalne własności, to po dołożeniu kolejnej cząstki nie mogą one współdzielić tej nielokalności z nowym układem. Z naszych badań wynika, że własności te mogą być współdzielone pomiędzy wieloma cząstkami naraz. W przypadku tych czterech cząstek - A, B, C i D, możliwe jest jednoczesne istnienie nielokalnych korelacji pomiędzy wszystkimi trójkami, np. ABC, BDC i resztą.

- Kolejne Pana ważne dokonanie to weryfikacja splątania kwantowego przy niskiej statystyce. W jaki sposób opracowana przez Pana metoda może zostać wykorzystana w technologii kwantowej?

- Podobnie jak nielokalność, kwantowe splątanie jest pewnym rodzajem zasobu, który związany jest z korelacjami kwantowymi. Możemy je wykorzystać w nowoczesnych technologiach kwantowych, na przykład przy obliczeniach metrologii czy przy komunikacji kwantowej. Jeżeli splątanie jest użyteczne, to chcemy je móc w jakiś sposób generować albo wykrywać. Problem z wykrywaniem splątania często wiąże się z dużą liczbą powtórzeń eksperymentu, a więc wymaga sporo czasu. Jeżeli mamy bardzo dużą liczbę cząstek, wykazujących własność splątania, to musimy je wszystkie zmierzyć, przeanalizować i dowiedzieć się, czy faktycznie te cząstki są splątane.

Patrząc na rozwój technologii kwantowych, chcieliśmy przy jak najmniejszych zasobach pomiarowych i obliczeniowych wykryć tę własność splątania. Pokazaliśmy sprytny sposób na to, jak w bardzo krótkim czasie stwierdzić, czy posiadamy oczekiwane zasoby czy nie. Podczas badań wykazaliśmy, że splątanie w układzie wielu cząstek można wykryć nie używając dziesięciu czy stu tysięcy pomiarów, tylko na przykład dwudziestu. Nasz sposób znacznie obniża czas trwania eksperymentu. Zamiast wykonywać wszystkie możliwe pomiary, rekonstruować eksperymentalnie ten stan, możemy po prostu wykonać test weryfikacji splątania, który zamiast dwóch lat będzie trwał dwa miesiące czy dwie godziny. Nasze rozwiązanie jest więc bardzo technicznym przyczynkiem do praktycznego problemu, z którym spotykają się fizycy eksperymentalni.

- Zaproponował Pan także przepis na wykrywanie oddziaływań wielociałowych. Proszę zdradzić, na czym on polega.

- Prowadząc badania zauważyliśmy, że pewne oddziaływania, które nie wiemy, czy istnieją, a na pewno nie są popularne w naturze, prowadzą do szybszego przetwarzania informacji i mogą generować różne układy cząstek o wiele szybciej. Standardowe oddziaływania, z którymi mamy na co dzień do czynienia - nawet w mechanice kwantowej, takie jak oddziaływanie dwóch ładunków, czy poza mechaniką kwantową oddziaływanie mas, zawsze składa się z oddziaływania, które zachodzi parami. Czyli jeżeli mamy trzy ładunki, to ładunek pierwszy oddziałuje z drugim, drugi z trzecim, a trzeci z drugim - takie oddziaływania nazywamy dwuciałowymi. Jednakże matematycznie dozwolone są także oddziaływania wyższych rzędów, które na przykład łączą te trzy cząstki naraz. Nie parami, tylko naraz. Właśnie takie oddziaływania prowadzą do polepszenia wielu różnych protokołów w informacji kwantowej i wielu różnych zjawisk, które dają nam nowe możliwości.

Zastanawialiśmy się nad tym, czy istnieje możliwość wykrycia takiego rodzaju oddziaływania, bo skoro jest użyteczne, to dlaczego by go nie szukać? Zaproponowaliśmy więc pewnego rodzaju przepis na to, jak takie oddziaływania można by było wykrywać.

W tym przepisie przygotowujemy układ cząstek, które są całkiem niezależne od siebie, pozwalamy im oddziaływać, a następnie mierzymy pewną wielkość, która dla oddziaływań parowych nie może przekroczyć danej wartości. Jeżeli ją przekroczy, to możemy powiedzieć, że istnieją tam oddziaływania wyższych rzędów.

Oddziaływania wyższych rzędów mogą zapewnić nam przewagę w różnych zadaniach, będziemy mogli szybciej wytwarzać stany kwantowe, czyli układy wielu cząstek. Poza tym zjawisko to może być pomocne w wielu innych dziedzinach, takich jak korekcja błędów związana z obliczeniami kwantowymi.

- W „Science Advances” opublikowano wyniki pokazujące, że mechanika kwantowa działa inaczej niż dotychczas zakładano.  Nielokalność kwantowa bez udziału splątania to zjawisko, które jeszcze niedawno uznawano za teoretycznie niemożliwe. 

- Badanie opublikowane w „Science Advances” dotyczyło niezwykle zaawansowanego i ciekawego eksperymentu wykorzystującego wiele ściśle kwantowych zachowań. Rzeczywiście postawiono w nim tezę, iż nielokalność kwantowa lub dokładniej łamanie nierówności Bella, możliwe jest bez splątania.Takie rezultaty bardzo szybko zainteresowały media i naukowców z całego świata, w tym naszą grupę z Gdańska. We współpracy z naukowcem z Uniwersytetu w Linkopings wykazaliśmy jednak szybko, że obserwowane w dyskutowanym eksperymencie zachowania nie przejawiają nielokalności kwantowej, wykorzystując zawarte w ich rozumowaniu luki. Zaproponowaliśmy ponadto małą modyfikację ich eksperymentu, która pozwala na niekwestionowalne złamanie nierówności Bella i obserwacje nielokalności kwantowej w bardzo podobnym układzie. Tym razem jednak wykorzystując splątanie. Tak więc do dziś nielokalność bez udziału splatania nie jest możliwa. Tak szybka odpowiedź na badania jednych z najważniejszych fizyków w dziedzinie pokazuje, że Uniwersytet Gdański, na którym powstała duża część podstaw nowoczesnych technologii kwantowych, jest wciąż w czołówce tych badań.

[Artykuł pokazujący brak nielokalności bez splątania można przeczytać pod tym linkiem - przypis red.]

- Fizycy kwantowi pracują głównie na wzorach?

- Jako fizycy teoretyczni pracujemy głównie z matematyką. Często mówi się, że matematyka jest językiem fizyki i faktycznie tak jest. Matematyka jest uniwersalnym językiem zrozumiałym zarówno w Europie, jak i w Azji. Stosujemy ją dlatego, że pozwala ona przewidywać nowe efekty, ale też dlatego, że jest po prostu ścisła. To jest bardziej kompaktowy sposób zapisu praw fizyki, który pozwala operować nimi w taki sposób, żeby odkrywać nowe zjawiska, które doprowadziły przykładowo do drugiej rewolucji kwantowej.

- Pierwsza rewolucja kwantowa przyniosła nam tranzystory, lasery czy rezonans magnetyczny. Co przyniesie nam druga rewolucja kwantowa?

- Mniej więcej w tym czasie, w którym powstało twierdzenie Bella dotyczące kwantowej nielokalności, uświadomiono sobie, że ściśle kwantowe własności, niemające odpowiednika w codziennym życiu, mogą być wykorzystywane do przetwarzania i przesyłania informacji w sposób, który na gruncie fizyki klasycznej jest niemożliwy. Właśnie te własności zaczęto wykorzystywać i proponować różne rozwiązania, które prowadzą do nowoczesnych technologii kwantowych.

Jesteśmy świadkami drugiej rewolucji kwantowej. Nazywa się w ten sposób nową falę kwantowych technologii, która odnosi się do obliczeń kwantowych, kwantowej komunikacji czy metrologii. Jej celem jest budowa urządzeń o przełomowym potencjale przy wykorzystaniu ściśle kwantowych własności, takich jak nielokalność czy splątanie.

- Jeśli mechanika kwantowa jest ciągle niewiadomą, to czy jest sens budowania komputerów kwantowych i wykorzystywania tej technologii?

- Mechanikę kwantową rozumiemy bardzo dobrze, ale nie wiemy, skąd się bierze i gdzie się kończy. To właśnie ta teoria doprowadziła nas do zrozumienia tego, jak działają atomy i molekuły. Mechanika kwantowa dała nam tranzystory, dzięki którym dzisiaj możemy korzystać z technologii cyfrowych. Różne prace i kierunki badawcze pokazują, że niezależnie od tego, jak dużo wiedzielibyśmy na temat mechaniki kwantowej, to na dzień dzisiejszy nie jesteśmy w stanie wykluczyć lub potwierdzić istnienia teorii pozakwantowych.

Badania prowadzone na przykład na Uniwersytecie Gdańskim pokazały, że mechanika kwantowa może nam zapewnić fundamentalne bezpieczeństwo komunikacji. Stuprocentowe zrozumienie mechaniki kwantowej nie jest konieczne do tego, aby budować nowe technologie.

- Tak jak nie trzeba rozumieć magii kwantowej, którą też się Pan zajmuje? (uśmiech)

- Nazwa jest dość niefortunna, ale magia kwantowa też jest pewnego rodzaju zasobem, podobnie jak splątanie czy nielokalność. Jest to zasób, który pozwala na uzyskanie przewagi w obliczeniach kwantowych i wykorzystywany jest w komputerach kwantowych, które budują IBM czy Google.

Jest to dość nowy kierunek badawczy. Naukowcy próbują zrozumieć ten zasób, dowiedzieć się, jak go wykrywać, jak go generować, aby przyczynić się do drugiej rewolucji kwantowej i do zwiększenia potencjału komputerów kwantowych.

- Był Pan na stażu w Wiedniu. Czego się tam Pan nauczył?

- Dzięki Narodowemu Centrum Nauki i Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej miałem możliwość odbycia sześciomiesięcznego stażu w Instytucie Optyki i Informacji Kwantowej w Wiedniu. Pracowałem tam nad formalizmem, który nazywa się kwantowymi układami odniesienia. Teoria ta odpowiada na pytanie, jak wygląda świat z perspektywy cząstek kwantowych. Zastanawialiśmy się nad tym, jak własność „znajdowania się w wielu miejscach naraz”, czyli superpozycja, i własność splątania zmienia się, gdy zmieniamy perspektywę pomiędzy różnymi cząstkami kwantowymi. Jedna cząstka „widzi”, że jakiś układ jest splątany, ale druga cząstka już tego splątania nie będzie „widziała”. To bardzo abstrakcyjny pomysł, ale niezwykle ciekawy i prowadzi do ciekawych konkluzji na temat fundamentalnej natury mechaniki kwantowej.

Staż w Wiedniu i kontakt z naukowcami z całego świata otworzyły mnie na nowe kierunki badawcze. W widoczny sposób uświadomiłem sobie, jak ważne jest to, żeby prowadzić badania z różnymi ludźmi, którzy pochodzą z różnych uczelni i prezentują inne podejście badawcze, bo z tak wielu różnych doświadczeń możemy stworzyć coś bardzo unikalnego.

- Dlaczego zajął się Pan fizyką?

- Fizyka wzięła się u mnie z wrodzonej ciekawości świata, która w połączeniu z nie najgorszymi, ale też niewybitnymi, umiejętnościami matematycznymi skierowała mnie w stronę fizyki teoretycznej. Nie było to zbyt ryzykowne, bo zawsze ze studiów można zrezygnować, ale od pierwszych wykładów na uniwersytecie zrozumiałem, że jest to najlepsze miejsce, w którym mógłbym być. Już na pierwszym wykładzie profesor powiedział nam, żebyśmy zapomnieli to wszystko, o czym dotychczas się uczyliśmy, po czym usłyszeliśmy, że dzisiaj odtworzymy wszystko to, co zrobił Newton. Zaczęliśmy od elementarnej matematyki, a skończyliśmy na zrozumieniu ruchów planet, teorii dotyczącej dylatacji czasu czy skrócenia Lorentza.

Idąc na studia, zakładałem, że jeśli fizyka wygląda tak, jak mi się wydaje, to chciałbym związać swoją przyszłość z karierą badawczą. Okazało się, że jest ona jeszcze ciekawsza.

- Czym się Pan zajmuje poza pracą naukową? Jakie jest Pana hobby?

- Największą moją pasją bez dwóch zdań jest fizyka. Poza tym interesuję się fantastyką w każdej formie oraz nową falą filmów grozy. Ostatnio zwróciłem się też bardziej w stronę sportu. Polubiłem wspinaczkę, chętnie jeżdżę też na rowerze.

- Jakie cechy powinien mieć dobry naukowiec?

- Dobry naukowiec powinien mieć w sobie wrodzoną ciekawość świata, potrzebę dążenia do prawdy, powinna go charakteryzować rzetelność badawcza, odpowiedzialność społeczna, otwartość na nowe trendy i pomysły, które mogą wydawać się na początku dziwne. Naukowiec powinien być też bardzo krytyczny i kwestionować wiele rzeczy po to, aby zbliżyć się do tego, jak naprawdę wygląda świat.