O teleportacji, fizyce i nauce
z prof. Czesławem Radzewiczem
z Instytutu Fizyki Doświadczalnej, rozmawia Artur Lompart

  Panie Profesorze polskie media podały w czerwcu sensacyjną wiadomość, o dokonaniu przez zachodnich naukowców teleportacji niewielkich cząstek. Jak Pana zdaniem wpłynie to na rozwój ludzkości?
To jest bardzo trudne pytanie. Chce Pan abym zgadywał przyszłość. Prawdę mówiąc nie potrafię powiedzieć, co ten sukces tak naprawdę znaczy dla rozwoju ludzkości, poza jedną oczywistą rzeczą: znowu dowiedzieliśmy się czegoś istotnego o świecie, który nas otacza. To wiem na pewno. Natomiast domyślam się, że Pana pytanie brzmi, kiedy będziemy mogli podróżować na przykład do Australii, przy pomocy teleportacji. Być może nigdy. Być może to, co jest możliwe dla bardzo małych obiektów, nigdy nie uda się zrealizować dla obiektów dużych, takich jak na przykład człowiek. My - kiedy mówię "my" mam na myśli ludzi, którzy się tym zajmują - nie potrafimy ciągle jeszcze sobie radzić z dużymi obiektami. Ale sukces teleportacji małych obiektów to bardzo ważne osiągnięcie, które po raz kolejny zmienia nasze widzenie świata.
Naukowcy mówią, że sukces ten pozwoli stworzyć w przyszłości na przykład superszybkie komputery. Przyzna Pan, że w fizyce wszystko jest możliwe - możemy mieć więc nadzieję, że teleportacja dużych obiektów będzie możliwa...
Zawsze trzeba mieć nadzieję. Ja jednak nie powiem ani tak ani nie. Po prostu nie wiem. Nikt dziś do końca nie wie jakie są możliwości stosowania tego odkrycia - ja również mogę tylko spekulować. Naprawdę, w chwili obecnej wiemy ciągle niewiele. Zastosowania, o których Pan wspomniał i które są chyba realistyczne w perspektywie kilkudziesięciu najbliższych lat, dotyczą raczej informatyki kwantowej, niż przenoszenia dużych obiektów. Tu rzeczywiście umiejętność teleportacji dowolnej cząstki, dowolnego obiektu ma kluczowe znaczenie. Musimy sobie uświadomić, że teleportacja w wydaniu fizyków, jest dość zabawną czynnością. Otóż rzecz sprowadza się do tego, żeby wziąć jakiś obiekt kwantowy i mając podobny obiekt w innym miejscu odtworzyć wszystkie cechy pierwowzoru. Nie przenosimy pierwowzoru fizycznie z jego wszystkimi własnościami, tylko odtwarzamy obiekt w identycznym stanie kwantowym. Rzecz odbywa się w dość skomplikowany sposób a kluczowe znaczenie w tych wszystkich pracach, tych wszystkich procedurach ma coś, co nazywa się splątaniem. Sprowadza się to do następującego stwierdzenia, w które my, fizycy, dość mocno wierzymy i które zostało wielokrotnie sprawdzone doświadczalnie - kiedy mamy do czynienia z więcej niż jednym obiektem kwantowym to zdarza się, że do opisu całego naszego układu nie wystarcza wiedza o jego poszczególnych częściach. Potrzebujemy czegoś więcej niż prosta suma własności części składowych. Doświadczalnie i koncepcyjnie splątanie jest obecnie całkiem nieźle zrozumiałe w układach dwóch, trzech czy czterech małych obiektów, na przykład dwóch lub trzech fotonów. To już chyba nieźle rozumiemy, wykonano także dużo doświadczeń, które pokazują, że splątanie rzeczywiście daje się wyprodukować i stwarza niezwykłe możliwości manipulacji takimi układami. My zresztą też robimy takie doświadczenia w instytucji, która nazywa się Krajowe Laboratorium Fizyki Atomowej i Molekularnej Optyki. Jest to ogólnopolskie konsorcjum uniwersytetów i jednostek Polskiej Akademii Nauk zlokalizowane przy Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu, gdzie powstało bardzo nowoczesne laboratorium. Ja i moi koledzy z Wydziału Fizyki mamy tam swój udział. W naszym, powiedzmy to, podlabo-ratorium potrafimy wyprodukować splątane fotony. Udało nam się, między innymi, pokazać, że splątanie zwiększa pojemność łącza telekomunikacyjnego. Możemy sobie wyobrazić, że w takim łączu światłowodowym, w którym przesyłamy naprawdę impulsy światła zamiast posługiwać się pojedynczymi fotonami będziemy przesyłać pary fotonów. Jeśli będą to pary splątane to, co pokazaliśmy doświadczalnie, klasyczna pojemność takiego łącza, czyli możliwość przesyłania informacji, rośnie o czynnik trzy w porównaniu z takim samym układem bez splątania. To jest przykład na to, że dzięki splątaniu w układach kwantowych pojawiają się zupełnie nowe możliwości. Można zrobić coś, co wcześniej nie było możliwe.
Czyli przysłużyć się to może do rozwoju ludzkości poprzez rozwój na przykład telekomunikacji...
Na pewno tak. Tak naprawdę, obecnie największe nadzieje są związane z informatyką kwantową. To nie jest może coś, co łatwo trafia do wyobraźni przeciętnego człowieka. Filozofia działania fizyków jest, w tym przypadku, dwuetapowa. Najpierw godzimy się z tym, że świat jest taki jaki jest. Następny logiczny krok to próba wykorzystania tych szczególnych własności fizycznych otaczającego nas świata. W szczególności możemy obrócić to, co wydaje się nam bardzo niewygodne w pożyteczne. Mechanika kwantowa czy też w ogóle prawa kwantowe są niewygodne z naszego, fizycznego punktu widzenia. Mają w sobie dużo ograniczeń np., nie możemy dokładnie ustalić w jakim stanie jest dany obiekt kwantowy. Ale zamiast martwić się tymi ograniczeniami zapytajmy, co z tych szczególnych własności mechaniki kwantowej można wykorzystać i w jaki sposób? W ostatnich kilkunastu latach pojawiło się kilka pomysłów na wykorzystanie mechaniki kwantowej do przesyłania i przetwarzania informacji. Ludzie próbują kodować informację w obiektach kwantowych a następnie manipulować tą informacją: przesyłać lub przetwarzać. Dwa przykłady: pierwszy to kryptografia. Stosowane obecnie powszechnie szyfrowanie jest czysto matematyczne. Istnieją algorytmy, które pozwalają tak zniekształcić oryginalną informację, żeby podsłuchujący nie był w stanie jej łatwo odszyfrować. Natomiast odbiorca, dysponujący odpowiednim kluczem czyni to bez trudu.. Bezpieczeństwo tej metody opiera się na założeniu, że ludzie nie potrafią szybko rozkładać na czynniki pierwsze dużych liczb. Niestety, nikt nie potrafi udowodnić, że nie istnieje lepszy szybszy algorytm. Gdyby ktoś wynalazł dobry sposób na rozkładanie dużych liczb na czynniki pierwsze, to szyfrowanie w obecnym kształcie z dnia na dzień stałoby się bezużyteczne. Pomysł fizyków na kryptografię sprowadzał się do tego, żeby wykorzystać własności obiektów kwantowych, tak by uniemożliwić ingerencję osób trzecich w zawartość przesyłanych informacji. Pojawiły się już pierwsze komercyjne systemy korzystające z osiągnięć fizyki kwantowej przy tworzeniu szyfrów kryptograficznych. Drugi przykład który chciałbym wymienić to właśnie rozkładanie liczb na pierwiastki pierwsze. Od 10 lat znany jest algorytm, zaproponowany przez Petera Schora AT&T Laboratories w USA, który pozwalałby wykonywać tę operację bardzo szybko gdybyśmy mieli do dyspozycji komputer kwantowy. Teoretycznie przynajmniej, bezpieczeństwo klasycznych systemów szyfrowania danych jest już zagrożone. To jest dość poważne wyzwanie. Na razie nie udało się tego zrobić i nie wiadomo czy w ogóle da się zbudować komputer kwantowy na tyle duży, żeby mógł tak duże liczby "obrabiać". Ale fizycy rzucili kolejne wyzwanie.
- ... czyli mogą jednak powstać superkomputery?...
... jest taka możliwość, ale komputery kwantowe nie będą urządzeniami, które będzie można porównać z komputerami klasycznymi. Sądzę, że jeśli komputery kwantowe powstaną to będą raczej urządzeniami dedykowanymi. Nie tak jak klasyczny komputer, w który można załadować dowolny software i dzięki temu wykonuje on wiele czynności: przeprowadza rachunki, pozwala oglądać obraz czy słuchać muzyki. Natomiast, komputery będą z pewnością potrafiły pewne operacje robić dużo lepiej niż komputery klasyczne.
Wróćmy na chwilę do teleportacji. Wszyscy wyobrażamy ją sobie jako proces przedstawiany wielokrotnie na filmach science-fiction. Z tego co Pan powiedział wnioskuję, że to nieporozumienie. Teleportacja polegałaby na stworzeniu kopii danej osoby. Fizycznie byłaby to ta sama osoba, nie byłoby to jednak przeniesienie się w czasie jako "ja"...
... Tak, ale jeżeli Pan patrzy na to na bardzo fundamentalnym poziomie, jeżeli wszystkie obiekty, które tworzą daną osobę są w dokładnie takim samym stanie, w jakim były w oryginale, to nie potrafimy ich odróżnić od siebie...
Ale mówi Pan o elementach fizycznych, a co na przykład z umysłem...
Jeśli Pan mi powie jak działa umysł, to ja będę mógł się do tego odnieść...
Opieram się głównie na filmach science fiction, informacjach prasowych, które zachwyciły się teleportacja. W kapsule staje człowiek, zostaje przeniesiony w inne miejsce i jest tym samym człowiekiem, tylko w innym miejscu.
Jeżeli mówimy o teleportacji tak, jak ja rozumieją ją fizycy kwantowi, to ten człowiek w innym miejscu byłby dokładnie taki sam jak oryginał. Robię tu założenie, z którym nie wszyscy muszą się zgadzać. W fizyce, tak jak w każdej dziedzinie wiedzy, trzeba w coś wierzyć. My - fizycy wierzymy, że nie istnieją rzeczy, których nie potrafimy w jakiś sposób obserwować. To jest kwestia światopoglądu. Wierzymy w to, że cały świat jest światem materialnym. W związku z tym, jeśli wykluczymy pierwiastek duchowy, który jest bardzo mocny, na przykład w religii, to sprawa robi się bardzo prosta. Jeżeli potrafimy wszystkie obiekty kwantowe, które tworzą człowieka czy cokolwiek innego dokładnie skopiować w innym miejscu to wszystko, co jest związane z tym człowiekiem również tam się pojawi. Jeśli będziemy teleportować człowieka to razem ze wszystkimi jego cechami nie wyłączając jego wad.
Panie Profesorze z jednej strony powiedział Pan, że należy pogodzić się z rzeczywistością jaka ona jest, z drugiej strony fizycy wielokrotnie już pokazali, że tak naprawdę ta rzeczywistość, czy to, co widzimy wokół nas, nie jest takie, jakie jest.
Rzeczywistość się chyba nie zmienia, zmienia się tylko to, co o niej wiemy. My, fizycy, sądzimy, że prawa natury są stałe. Na przykład, wszystkie próby sprawdzenia czy wielkości fizyczne zmieniają się w czasie pokazały, że tak nie jest z dokładnością do błędu pomiarowego. W związku z tym jedyne, co się zmienia to nasza wiedza o rzeczywistości, nie sama rzeczywistość. My zresztą cały czas uczymy się. Jednakże, Pana pytanie dotyczy czegoś trochę innego - czy nasze zmysły postrzegają świat takim jaki jest. To bardzo ciekawe pytanie, na które nie ma dobrej odpowiedzi. Ale przy okazji warto wspomnieć o jeszcze jednym zagadnieniu. Nie mogę przenieść swoich odruchów z życia codziennego i przewidywać cokolwiek - fizyka kwantowa jest strasznie nieintuicyjna. Nie wszystko w fizyce to wynik obliczeń, wiele rzeczy najpierw trzeba zgadnąć. Jak w życiu. Często jest tak, że człowiek zgaduje z grubsza, co powinno wyjść, a później podpiera to doświadczeniem, rachunkami i tak powstaje jeszcze jedna cegiełka naszej wiedzy. Problem z mechaniką kwantową jest taki, że bardzo trudno jest zgadywać.
Wspomniał o pracach Pańskiego zespołu. Mówiliśmy o szyfrach, o kodowaniu transmisji danych. Czy nie boicie się Państwo, że tego typu prace mogą posłużyć różnym instytucjom, na przykład do ograniczenia wolności? Zawsze znajdzie się ktoś, kto może sięgnąć po wyniki tych badań dla swych partykularnych celów.
To jest bardzo ciekawe pytanie. Rzecz dotyczy chyba tego, co naprawdę robimy z naszą wiedzą. Ludzie siedzą gdzieś w swoich laboratoriach czy w swoich biurach i wymyślają różne rzeczy. Pojawia się pytanie, co powinniśmy zrobić z wynikami naszej pracy? Istnieje coś takiego jak światowy rynek idei. My nie zatrzymujemy wyników naszych badań dla siebie, nie ukrywamy ich przed nikim tylko je ogłaszamy. To ogłaszanie może mieć różną postać - wystąpienia na konferencjach, artykuły w czasopismach naukowych, etc. Istnieje umowa między ludźmi nauki, że to, czego się dowiemy będzie własnością wspólną, że inni też będą mogli z tego skorzystać. Oczywiście, wśród ludzi nauki są bez wątpienia również czarne charaktery. Tak zawsze jest i ci ludzie mogą próbować korzystać z technologii i z wiedzy w sposób, który byłby niekorzystny dla społeczeństwa jako całości. Czy powinniśmy w tej sytuacji swoje wyniki ukrywać? Czy pożytek byłby większy gdybyśmy nie mówili o nich? Jaki w ogóle byłby pożytek z naszej pracy, gdybyśmy wyniki naszej pracy zatajali? Myślę, że nie tędy droga - nauka żeby służyła ludzkości, o co Pan tak zabiega - powinna być jawna i tym samym mogła być weryfikowana.
Powróćmy do fizyki. Mówiliśmy o tele-portacji, fizyce kwantowej. Fizyka obejmuje swoim zasięgiem różne dziedziny nauki. Co Pana zdaniem w najbliższych latach może stać się jednym z najważniejszych odkryć w dziedzinie fizyki?
To jest przewidywanie przyszłości...
Środowisko fizyków nie jest grupą liczną. Jesteście Państwo grupą kontaktującą się z sobą, wymieniacie się informacjami, publikujecie wyniki swoich badań. Czy na podstawie tych kontaktów, które Pan posiada, na podstawie rozmów z kolegami jest Pan w stanie powiedzieć, co może stać się takim przełomem, jeżeli chodzi o fizykę?
Myślę, że nie. Nie potrafię. Z dwóch powodów nie potrafię przewidzieć, co będzie. Po pierwsze nie wiem, co uda się odkryć. Gdybym to wiedział już dawno sam bym to zrobił. A po drugie chyba trudno jest mi ocenić, co to znaczy "ważne". Musimy sobie odpowiedzieć na pytanie, co to znaczy ważne...
Moim zdaniem ważne to jest coś, co przyda się ludzkości...
Jeśli tak patrzymy na to zagdnienie, to okazuje się, że to co dla fizyków było jakimś ważnym odkryciem wcale nie zawsze przekładało się od razu na pożytek. Fizycy rzadko nastawiają się na pożytek bezpośredni. My interesujemy się materią, jak coś działa, itp. A jak już się tego dowiemy, to czasami my, a najczęściej ktoś inny bierze tę wiedzę i wykorzystuje po to, aby zbudować jakieś urządzenie. Wracając do przewidywań, chyba nie potrafię powiedzieć, co będzie przełomem w przyszłości. W fizyce w ostatnich latach nie dokonano zbyt wielu przełomowych odkryć. Być może jest tak dlatego, że nie wpadliśmy jeszcze na coś zupełnie nowego, w sensie zupełnie nowego konceptu. Można oczywiście pesymistycznie zakładać, że nowych pomysłów nie będzie, że będziemy poruszali się w ramach wiedzy, którą dysponujemy i tylko ją udoskonalali. Ale nie można wykluczyć, że coś zupełnie nowego zostanie jednak odkryte w przyszłości. Niestety, nie mam pojęcia, co mogłoby to być. Wolę mówić o jakiś ewentualnych mniejszych odkryciach w ramach tej wiedzy, którą dysponujemy... Ale jeśli mowa o przełomach... Gdybym wiedział, jaki przełom ma nastąpić to bym go po prostu zrobił sam.
Dziękuję za rozmowę.

prof. Czesław Radzewicz jest pracownikiem naukowym w Zakładzie Optyki Instytutu Fizyki Doświadczalnej na Wydziale Fizyki UW