Computerele cuantice - tehnologie paradoxală

Chiar dacă ar fi un foarte bun alergător, un emisar nu poate anunţa vestea producerii unui eveniment într-o localitate vecină decât după un anumit timp de la producerea ei, şi aceasta indiferent la ce distanţă se află destinaţia. Indiferent dacă în locul alergătorului sunt utilizate semnale sonore sau luminoase, ştirea tot va ajunge la destinaţie cu întârziere, după petrecerea evenimentului. Potrivit unui postulat deja celebru, pe care Einstein l-a obţinut cu mai bine de un secol în urmă (în cadul relativităţii restrânse), nimic nu se poate propaga sau deplasa, în vreun fel, cu viteze mai mari decât cea a luminii. Cu alte cuvinte, nici o cauză nu poate produce efecte instantanee. Surprinzător însă, lumea dimensiunilor foarte mici, lumea cuantică, pare să nu respecte această regulă!

Sunt cunoscute deja, în mecanica cuantică, multe situaţii când o particulă se dezintegrează în alte două particule. Interesant este că, experimental, s-a putut arăta faptul că, măsurând anumiţi parametri ai uneia dintre aceste două particule rezultate, se produc efecte instantanee asupra „gemenei“ sale, indiferent de distanţa care se află între ele. Spre exemplu, „o particulă cu spinul 0 se dezintegrează în două particule cu spinul 1/2, un electron şi un pozitron. ş...ţ Măsurarea spinului uneia dintre particulele cu spinul 1/2 fixează instantaneu starea de spin a celeilalte.“ (Roger Penrose şi Abner Shimony, Nancy Cartwright, Stephen Hawking, „Mintea omenească între clasic şi cuantic“, Editura Tehnică, Bucureşti, 1999, p. 68.)

Aşadar, observatorul măsoară parametrii uneia dintre cele două particule (în cazul acesta spinul sau rotaţia ei), însă urmele intervenţiei lui se manifestă şi asupra celeilalte particule. „Atunci când măsurăm spinul electronului într-o direcţie, oricare ar fi aceasta, spinul pozitronului va fi în sens opus. Deşi cele două particule pot fi la o distanţă de kilometri sau chiar ani lumină, totuşi chiar această alegere a măsurătorii asupra uneia dintre particule pare să fixeze instantaneu axa spinului celeilalte. (...) Dacă am fi ales să măsurăm spinul electronului după oricare altă direcţie, povestea ar fi exact aceeaşi (cum rezultatul măsurătorii depinde strict de direcţia aleasă, el ar fi fost diferit), iar starea spinului pozitronului (aflat la distanţă de observator şi de intervenţia sa directă) ar fi efectuat un salt instantaneu, ea fiind fie într-un sens, fie în sensul opus (...), în funcţie de rezultatul măsurătorii asupra electronului“. (Roger Penrose, „Mintea noastră cea de toate zilele. Despre gândire, fizică şi calculatoare“, Editura Tehnică, Bucureşti, 1998, pp. 305-307).

Einstein a greşit

Aşadar, acest efect cuantic ne arată că particula aflată la distanţă, departe de orice măsurătoare sau intervenţie, îşi schimbă caracteristicile, ca şi cum „a aflat“ instantaneu despre procedeul aplicat „gemenei“ sale îndepărtate. Ea pare să ştie rezultatul măsurătorii efectuate asupra particulei alese. Aceasta pentru că proprietăţile ei, fără a fi influenţate de intervenţie, sunt totuşi „complementare“ cu rezultatul măsurătorii executate asupra „gemenei“, încât ele păstrează pentru totdeauna şi legitimează provenienţa lor comună, din aceeaşi particulă iniţială.

Interesant este faptul că Einstein nu acorda prea mult credit potenţialului mecanicii cuantice de a oferi descrieri întru totul corecte şi conforme cu realitatea. Tocmai în ideea de a descalifica pretenţiile mecanicii cuantice, el a imaginat un paradox în care două particule ajungeau să interacţioneze instantaneu. Supriza a fost însă foarte mare când o serie de experimente, începute în 1982 şi continuate mai apoi în diferite laboratoare, au probat această proprietate extraordinară a materiei. Spre exemplu, în 1997, la Geneva s-a putut evidenţia felul particulelor de a „comunica“ între ele, instantaneu, la distanţe de 11 kilometri. Aşadar, s-a dovedit experimental ceea ce se arată ca fiind greu de explicat, anume că, în lumea cuantică, există situaţii în care particulele interacţionează instantaneu. Fenomenul a primit denumirea de corelaţie cuantică, neseparabilitate cuantică sau spontaneitate cuantică.

Cum „află“ particula situată la distanţă de tipul de măsurătoare care se face asupra gemenei sale, despre influenţa exercitată de observator asupra parametrilor aceleia? Intenţionăm aici să prezentăm doar trei dintre valenţele extraordinare ale acestui rezultat neaşteptat şi provocările pe care le generează.

În primul rând, acest rezultat ne dezvăluie faptul că lumea cuantică nu respectă întru totul legile de la nivelul macro. La nivelul constituenţilor ei, între două particule ce au fost iniţial în contact există un emisar misterios care poate transmite, instantaneu, informaţii despre intervenţia efectuată asupra uneia dintre ele, indiferent de distanţă, încât şi cealaltă particulă să „reacţioneze“ ca atare. Această manieră, de dependenţă a particulelor cuantice care au fost cândva în contact, este complet diferită de cea cunoscută în mod comun, ceea ce provoacă la reflecţie şi forţează o schimbare a viziunii despre lume.

Universul din căuşul palmei

În dezbaterile cosmologilor, de asemenea, acest rezultat are ecouri semnificative, mai ales în condiţiile modelului de lucru actual, întrucât se crede că întreaga energie-materie a fost, în trecut, concentrată într-un singur punct. În acest fel, s-ar putea spune, spre exemplu, că toate părţile Universului nostru au fost în „contact“ şi, prin urmare, sunt în această „relaţie instantanee“, în mod neîntrerupt, de la Big Bang şi până astăzi. Mergând până la capăt, se poate spune că inseparabilitatea cuantică leagă pentru totdeauna particulele din întreg Universul, lumi aflate la distanţe extraordinare. „Toate fiinţele vii (...), întreaga materie, cartea pe care o ţineţi în mână, imobilele care vă înconjoară, hainele pe care le purtaţi, toate obiectele pe care le identificăm ca fragmente de realitate conţin întregul ascuns în ele. Fiecare ţinem infinitul în căuşul palmei“. (Thuan, Trinh Xuan, „Melodia Secretă. Şi omul a creat Universul“, Editura XXI: Eonul Dogmatic, Bucureşti, p. 322.)

Totuşi, trebuie spus că această legătură strânsă nu se face simţită la nivelul experienţei directe. În lumea dimensiunilor mari, o rază de lumină călătoreşte o secundă până la Pământ, ca să ne dezvăluie faţa luminată a lunii, şi mai bine de 8 minute de la Soare până la solul terestru. Aşadar, experienţa directă ne arată că, la scară macroscopică, lumea permite ca procese diferite să se desfăşoare la distanţe mari în timp şi spaţiu, fără să se influenţeze între ele.

Computerele cuantice - generaţia viitorului apropiat

S-ar putea crede că un astfel de efect, câtă vreme rămâne în limitele strâmte ale lumii cuantice, nu ne foloseşte la nimic. Totuşi, nu este aşa. Inginerii şi informaticienii au reuşit să pună la punct primele sisteme de transmisie a unităţilor simple de informaţie, folosind aceste proprietăţi ale lumii cuantice. Un experiment efectuat în 1997 a înlocuit informaţia. De data aceasta nu s-a încercat transmiterea la distanţă a efectelor legate de măsurarea rotaţiei particulelor cuantice (spinul), ci pe cele legate de energia fotonilor. Atunci s-a arătat că „ştirea“ despre detectarea unuia dintre fotoni (aceasta fiind informaţia) ajungea la perechea lui de cel puţin 10 milioane de ori mai repede decât lumina.

Felul acesta de a transmite informaţie, prin intermediul efectului de corelaţie cuantică, a inspirat pe unii ingineri în conceperea unor sisteme de transport a informaţiei. O parte dintre cercetători au fost sceptici cu privire la posibilitatea reală de a transmite informaţii. Totuşi, în mijlocul dezbaterilor, laboratoarele de pe ambele coaste ale Atlanticului au reuţit să demonstreze teleportarea unui foton, iar Şcoala Normală Superioară din Paris a putut realiza un dispozitiv complex care putea face acelaşi lucru cu particule mai grele.

Cercetări recente făcute la Universitatea Stanford din SUA, date publicităţii în 24 noiembrie 2008, arată că s-au obţinut deja rezultate semnificative în crearea unor procedee care să folosească spinul electronilor ca unităţi elementare de calcul cuantic, şi că ele pot fi transferate prin intermediul efectului de corelaţie. Dacă vor fi puse la punct toate segmentele necesare procesării informaţiei, computerele cuantice vor reprezenta cel mai mare salt în tehnologia informatică.