Dansand cu visul cuantic

Einstein s-a indoit de existenta fenomenului, dar astazi acesta este cercetat asiduu de fizicieni, printre domeniile de aplicabilitate urmarite fiind construirea de calculatoare cuantice superrapide si, in criptologie, realizarea de coduri imposibil de spart. Mai nou, la acestea se adauga pseudotelepatia, care, indiferent cum suna astazi, ar putea avea o implicare profunda in rezolvarea multora dintre problemele omenirii. Calculatorul cuantic Se pare ca primul program pentru calculator a fost scris de un tesator. Era in 1801 si francezul Joseph Jacquard a creat un razboi de tesut automat care putea realiza modele complexe dupa un sablon inscris intr-o cartela perforata. In 1812, func­tionau deja circa 11.000 de razboaie de tesut automate si lumea industriei textile se schimbase radical. Tot un fel de tesatura este si ceea ce se intampla in lumea cuantica, pe taramul particulelor subatomice. Ideea de a pune la lucru aceasta lume a prins viata gratie fizicianului Richard Feynman (1918-1988, Premiul Nobel pentru fizica in 1965). Feynman a vrut sa simuleze complexitatea Universului pe un calculator, dar cum nici un calculator conventional nu putea face asta, a inceput sa viseze la calculatorul cuantic.

Un calculator care ar putea sa rezolve ecuatii de genul celei care descrie ce se intampla cand doi electroni se ciocnesc.  Cativa ani mai tarziu, David Deutsch, profesor la Oxford, a creat un model de calcul intr-un sistem cuantic care a reusit sa execute astfel de operatii. Imediat au aparut aplicatiile practice, printre domeniile notorii numarandu-se decriptarea.  Dar, in ciuda existentei multor prototipuri in lucru, pana acum n-a reusit nimeni sa construiasca un calculator cuantic care sa poata fi realmente folosit. Marea problema o reprezinta gasirea unui alt model pentru biti (in acest caz, qubiti de informatie codificata in starile particulelor continute in cipurile de silicon) care sa evite fenomenul de decoerenta – schimbarea starii cuantice in interiorul masinii. In 1987, Vaughan Jones, profesor la University of California din Berkeley, s-a intors la ideea razboiului de tesut, pe care a legat-o de teoria nodurilor, afirmand ca nodurile sunt purtatoare de informatii care ar putea juca rolul de operatori logici (orice nod poate fi definit ca o matrice de 0 si 1, in functie de rasucirile lui). Lucrarile lui Jones au fost dezvoltate de Edward Witten de la Princeton, specialist in teoria string-urilor, care a propus un model bazat pe o impletitura de particule, masurarea starilor acestora fiind echivalenta cu calculele din noduri. 

De-abia dupa opt ani, la sfarsitul anilor ’90, Alexei Kitaev de la CALTech (California Institute of Technology) a reusit sa foloseasca interpretarea topologica a lui Witten ca baza a unui calculator, informatiile stocate intr-o impletitura putand face fata oricarei turbulente.  Un alt admirator al lucrarilor lui Witten, Michael Freedman, cercetator la Microsoft, s-a alaturat lui Kitaev si, impreuna cu Michael Larson si Zhenghan Wang, ambii de la Indiana University din Bloomington, au aratat cum se poate construi un calculator cuantic topologic, dupa o tehnologie valabila si azi. Principiul de functionare pleaca de la ideea de a percepe spatiul si timpul ca o entitate unificata in patru dimensiuni. Chiar daca sunt statice in spatiu, particulele sufera modificari in timp, lasand o urma in acest spatiu-timp 4-dimensional. Miscand particulele in respectivul spatiu, urmele lor pot fi impletite, formand noduri in care se va regasi informatia – numere, calcule. „E ca si cum ai impleti parul cuiva“, zice Freedman. Numai ca masuratorile asupra particulelor impletite sunt imposibil de facut, pentru ca impletirea nu afecteaza proprietatile observabile ale particulelor, deci, prin examinare, nu se poate spune nimic despre impletitura. Iesirea din aceasta situatie se face insa cu ajutorul altui gen de particule, numite anioni nonabelieni. Acestia sunt, de fapt, picaturi de particule subatomice care se comporta ca si cand ar fi o singura particula si ar avea o treime din sarcina electrica a unui electron. Anionii nonabelieni exista in perechi, particulele avand cantitati egale si opuse (sarcini topologice), dupa care sunt identificate atunci cand acestea sunt impletite. La fel ca in cazul electronilor, sarcina topologica nu poate fi anulata decat de o sarcina egala si opusa, ceea ce da siguranta informatiei codificate in anioni, facandu-i superiori fragililor qubiti ai calculatoarelor cuantice. 

Pentru a efectua calcule, se asaza anionii in linie, apoi se iau perechi de anioni si li se schimba pozitia, creandu-se o impletitura. Prin alegerea modelului de impletitura, se pot codifica operatiile logice cuantice pentru calculele dorite. O data creata impletitura, nu ramane decat sa apasam tasta „egal“ pentru a afla rezultatul calculului. Si asta se obtine reformand perechile de anioni. Perechile care au sarcini topologice egale si opuse se anuleaza, pe cand cele cu sarcinile neschimbate fuzioneaza, formand un nou anion. Astfel, rezultatul calculului este un sir de 0 si 1 (0 pentru fiecare pereche care dispare si 1 pentru fiecare pereche care ramane). Exista insa o mare problema: nimeni nu e sigur ca anionii nonabelieni exista cu adevarat, chiar daca, la Los Angeles, Chetan Nayak spune ca exista, iar, la New Jersey, Lev Ioffe spune ca vor fi obtinuti pana la sfarsitul anului. Daca aceste calculatoare ar putea fi construite, domeniile de aplicabilitate ar fi nelimitate. „Cred ca cea mai importanta aplicatie a calculatoarelor cuantice va fi prezicerea comportamentului materialelor inainte ca acestea sa fie realizate“, zice Freedman. Si, mai departe, una dintre aplicatii ar fi chiar construirea unor noi calculatoare cuantice.  Pseudotelepatia De o jumatate de secol, savantii apeleaza la teoria jocurilor pentru a da sens unei mari varietati de situatii competitive, de la ecosisteme, pana la politica internationala. Teoria jocuri­lor studiaza felul in care un jucator isi planifica comportamentul in vederea obtinerii unui castig cat mai mare. David Meyer, de la University of California din San Diego, s-a intrebat, cu cinci ani in urma, ce s-ar intampla cu aceasta teorie in lumea particulelor subatomice. Si n-a fost deloc surprins cand a constatat ca lucrurile iau o turnura stranie, dar intr-un mod cat se poate de folositor. In lumea cuantica, imposibilul devine normal. Sa luam, de pilda, o particula subatomica ce se desface in electron si in opusul sau, pozitronul. Cand se intampla asa ceva (si se intampla frecvent), cele doua particule pornesc in directii diferite.

Totusi, spune teoria cuantica, ele raman legate una de alta chiar daca se afla la capete opuse ale Universului (insepararea). Un alt factor care insoteste insepararea este superpozitia, data de starea nedefinita a particulelor. Atat electronul, cat si pozitronul au o proprietate numita spin care, la masuratoare, ne spune ca particula este ori „sus“, ori „jos“, dar aprioric spinul e considerat in superpozitie cu ambele stari, ambele fiind posibile.  Conform insepararii, teoria cuantica spune ca tot ceea ce se petrece intr-o parte a Universului poate avea efecte imediate in cealalta parte, indiferent de distanta. In lumea obisnuita, acest lucru este imposibil. Cum ar putea, atunci, un individ din aceasta lume sa transpuna fenomenul respectiv in teoria jocurilor? Cand Meyer a inceput sa studieze acest subiect, a descoperit ca superpozitia cuantica permite jucatorilor performante deosebite, ajutandu-i sa-i invinga pe cei care folosesc doar metode clasice. Teoria cuantica a jocurilor permite colaborari aparent imposibile, transformand situatii impracticabile in opusul lor. Si asta pentru ca insepararea face posibila coordonarea actiunilor jucatorilor, determinandu-i sa se comporte ca o echipa, desi nu exista o comunicare directa intre ei. Nu-i de mirare ca Gilles Brassard, de la Universitatea din Montreal, a numit acest fapt pseudotelepatie. In urma cu doi ani, Padmanabhan Aravind, fizician la Worchester Polytechnic Institute din Massachusetts, a inventat ceea ce poate fi socotit cel mai simplu exemplu in sprijinul acestei teorii.  In jocul patratelor magice, doua persoane, Alice si Bob, formeaza o echipa. Iata jocul: cei doi, izolati unul de celalalt, sunt pusi sa aleaga un set de trei cifre 0 sau 1. Alice isi plaseaza cele trei cifre pe o linie, iar Bob pe o coloana dintr-un tabel de trei linii si trei coloane. Pentru a castiga, trebuie sa indeplineasca urmatoarele cerinte: cifrele lui Alice trebuie sa dea, in suma, un numar impar, ale lui Bob un numar par, iar la intersectia liniei lui Alice cu coloana lui Bob trebuie sa se afle aceeasi cifra. Potrivit fizicii clasice, cei doi nu sunt siguri ca vor castiga.

Dar Aravind a gasit ca teoria cuantica le poate oferi o solutie miraculoasa: utilizarea unor particule inseparate care-i vor ajuta sa-si coordoneze optiunile chiar fara a comunica intre ei. „Asta intelegem noi prin pseudotelepatie“, a spus Brassard. „Pare a fi ori magie, ori telepatie adevarata pentru fizica clasica, insa are o explicatie perfect stiintifica: mecanica cuantica.“ Intr-o lucrare recenta, Brassard, Anne Broadbent si Alain Tapp au inventariat toate jocurile cunoscute care se preteaza la pseudotelepatie. Aceste jocuri prezinta un mare interes pentru fizicieni, pentru ca evidentiaza diferenta dintre fizica clasica si cea cuantica. „Implementate cu succes, oricare dintre aceste jocuri poate produce dovada ca lumea nu este guvernata de legile fizicii clasice“, a afirmat Tapp. De-a lungul istoriei, noile tehnologii au provocat schimbari majore in societate, daca ar fi sa ne gandim doar la aparitia hartiei, a tiparului sau a calculatorului. Insepararea cuantica, vazuta candva ca o neclaritate teoretica putin probabila, ar putea fi maine cheia spre o lume mai buna.