- Proszę powiedzieć skąd Pana fascynacja fizyka kwantową Profesorze?
- Może zacznę od fizyki w ogóle. Fascynacja bierze się z domu rodzinnego. Od dziecka byłem otoczony fizyką, mój tata jest fizykiem, jego brat jest fizykiem. Fizyki uczył mnie w szkole mój kuzyn. Zresztą to był wspaniały czas, bo oprócz tego, że uczył mnie fizyki, to też jeździliśmy na wyprawy poza miasto. Tata fascynował się fizyką, to było widać. Przeżywał swoje różne dokonania czy jakieś porażki. Często do późnej nocy pracował. To były jeszcze czasy, kiedy bardzo ciężko przychodziła edycja i wokół tego było bardzo dużo różnego zamieszania. Więc w domu fizyka żyła. Tato od początku dawał nam różne książki do czytania. Pamiętam jedną z nich, poczet laureatów nagrody Nobla. Były tam zdjęcia, więc na początku tylko te zdjęcia oglądałem i podpisy pod nimi. I tato o każdym potrafił powiedzieć kilka zdań – no więc fascynacja tymi postaciami. Tato z pasją nam opowiadał o narodzinach mechaniki kwantowej – no bo to się zdarzyło nagle. Począwszy od pracy Plancka, musiało minąć trochę czasu – Einstein, Bohr, a później nastąpił wybuch. Wybuch, który był w jakiejś mierze sprawą młodych ludzi. To niewiarygodne tempo stworzenia teorii, która jest tak inna od tego, co postrzegamy, jest zadziwiające. Miałem z tym styczność od małego, z owym zadziwiającym fenomenem nie tylko naukowym, ale też socjohistorycznym. Tata zawsze pokazywał nam różne zjawiska, mówił że to jest fizyka i dzięki temu żeśmy się tym dziwili. Takim obiektem „kultu” było radio. To coś niesamowitego, że fizycy stworzyli radio. Tato czytał nam szkice Władysława Natansona o Maxwellu, i mówił, że radio „tkwi” w jego równaniach. Więc stąd zainteresowanie fizyką w ogóle. A oczywiście mechanika kwantowa jako coś najdziwniejszego w fizyce, coś, co przekracza nasze postrzeganie świata, co każe nam odrzucić zwykły sposób myślenia i do czego wciąż jeszcze nie ma chyba dobrej filozofii. Wydaje mi się, że filozofia przyrody wciąż tej lekcji mechaniki kwantowej jakoś nie zaabsorbowała i się z nią nie pogodziła tak zupełnie. Takie były źródła zainteresowania. Nie wyobrażałem sobie, że w ogóle można nie być naukowcem. W domu była taka atmosfera, że jako dla dziecka było dla mnie oczywiste, że będę studiować fizykę i zostanę naukowcem. Jest zadziwiające, że to nie było tylko takie naiwne dziecięce myślenie – tak się rzeczywiście stało.
- To bardzo trudna dyscyplina. Richard Feynman powiedział: „Jak sądzisz, że rozumiesz mechanikę kwantową, to nie rozumiesz mechaniki kwantowej”.
- To prawda. To co na ogół rozumiemy w mechanice kwantowej, to jak coś policzyć. Ale to nie jest zrozumienie. Na co dzień licząc różne efekty, próbując je przewidywać, zawsze mam cały czas przed oczyma to, co w mechanice kwantowej jest najtrudniejsze, czyli brak możliwości nakreślenia podziału pomiędzy obserwatorem i światem obserwowanym. Jest to bardzo dziwne zjawisko - wydawałoby się, że ono może w ogóle negować istnienie nauki, gdyż nauka wymaga, żeby obserwator nie był częścią obserwowanego obiektu. Obserwator musi umieć wydzielić zjawiska, wyizolować i opisać. A tutaj jest to cudem, że ten opis się jednak udaje. Tak, mechanika kwantowa jest dla mnie po prostu cudem. I właśnie z tego powodu nie można jej do końca zrozumieć, ponieważ dzieje się coś bardzo osobliwego na tym odcinku obserwator – obiekt obserwowany. Natomiast można obliczać, można przewidywać. I trzeba mieć taki rodzaj kwantowego zdrowego rozsądku. On się z czasem wyrabia i nawet nie rozumiejąc fundamentalnie opisu kwantowo-mechanicznego, można się jakoś w tym wszystkim poruszać dla dobra nauki i dla dobra coraz bardziej dokładnego opisywania przyrody.
- Panie Profesorze, czy to jest jeszcze fizyka? A może matematyka czy w rzeczywistości to jest już filozofia?
- Tak, mechanika kwantowa jest właśnie tym obszarem, gdzie narzędzia opisu tak bardzo oddzieliły się od tego co opisujemy, że stanowią jakiś osobny świat równań matematycznych. Brak jest bezpośredniego przypisania wielkościom, które sobie obliczamy na papierze albo na komputerze jakichś postrzegalnych przez każdego z nas efektów, które widzimy dookoła. Droga od formalizmu matematycznego do świata przyrody jest długa i nieoczywista. Więc rzeczywiście tutaj zdarzyło się coś bardzo ciekawego, matematyka zaczęła być dużo bardziej autonomiczna w kontekście opisu przyrody niż w poprzednich teoriach. Jeszcze jedna dziwna cecha mechaniki kwantowej, to jest właśnie ten związek z filozofią. Ponieważ podmiot nie jest oddzielony od przedmiotu zbyt dobrze, pojawiają się pewne paradoksy natury filozoficznej. Czyli uprawiając mechanikę kwantową tkwimy w abstrakcyjnej matematyce a równocześnie natrafiamy na problemy filozoficzne. Dodajmy, że w dziedzinie w której pracuję, mechanika kwantowa jest jeszcze bardziej oddzielona od tego, co byśmy nazwali fizyką, ponieważ zajmuję się informacją kwantową. Jest to próba zastosowania praw mechaniki kwantowej do przetwarzania informacji. Z fizyki w dużej mierze bierzemy tylko formalizm matematyczny. Gdy umiemy się w nim sprawnie poruszać, to naprawdę o żadnych pojęciach fizycznych już nie trzeba pamiętać. To jest coś jakby uprawianie informatyki, gdzie po prostu są bity, które się przetwarza. Informatyk nie musi wiedzieć, że bit oznacza w rzeczywistym układzie jakieś dwa różne poziomy napięcia - bit dla niego to zero lub jeden. U nas jest bardzo podobnie, ponieważ jednak formalizm, którego używamy jest związany z przestrzenią Hilberta, to ta nasza informatyka jest bardzo mocno zmatematyzowana. To nie jest wyłącznie taka matematyka kombinatoryczna - wchodzą tutaj bardzo różne dziedziny. Czyli w informacji kwantowej rzeczywiście fizykę można uprawiać w taki sposób, że się prawie z tą fizyka nie ma styczności. Oczywiście większość naukowców, którzy zajmują się informacją kwantową głowi się nad tym jak te różne rezultaty przetłumaczyć na konkrety. Czyli zbudować jakieś urządzenie, no i wtedy oczywiście tam zaczyna się ogrom fizyki, bo trzeba całą tę matematykę zaimplementować na konkretnych układach fizycznych – czy to na fotonach, jonach, czy w ciele stałym itd. Ja jednak nie jestem tak blisko fizyki. Mam ostatnio kilka prac, w których pojawił się hamiltonian czyli obiekt matematyczny, który jest jakby bliższy fizyki i jestem szczęśliwy, że chociaż trochę jej dotknąłem.
- Panie Profesorze, łatwo pozyskać środki na badania, jeżeli one w perspektywie znajdują możliwość zastosowania praktycznego. O to właśnie chciałem spytać: czy to kiedyś się przełoży na codzienność?
- Tutaj odpowiedź jest z jednej strony łatwa, ponieważ kwantowa informacja dużo obiecuje. Obiecuje między innymi dwie rzeczy naraz. Z jednej strony kwantowy komputer, który gdyby udało się zbudować, potrafiłby rozkładać szybko liczby naturalne na czynniki pierwsze, a tym samym złamać bardzo rozpowszechniony obecnie rodzaj szyfrowania - co może trudno nazwać obietnicą - to raczej zagrożenie. Z drugiej strony kwantowa informacja obiecuje pewne antidotum, gdyby się tak stało, że nasze systemy szyfrowania „padną” za przyczyną kwantowego komputera. Owo antidotum to kwantowa kryptografia, czyli możliwość przesyłania informacji, w sytuacji, gdy bezpieczeństwo nie jest chronione przez założenia obecne w tradycyjnej kryptografii, mówiące, że na świecie nie ma komputerów o zbyt dużej mocy, bądź zbyt szybkich algorytmów. Kwantowa kryptografia obiecuje bezpieczeństwo, które w jakiś sposób bazuje na zasadzie nieoznaczoności Heisenberga, stąd to zabezpieczenie jest bardziej fundamentalne i jest to ciekawa alternatywa dla obecnych sposobów szyfrowania. Jednak z tego co na razie obserwujemy na rynku, urządzenia do kwantowego szyfrowania, które są produkowane nie zdobyły sobie jakiejś szalonej pozycji. Przypuszczalnie wojsko w różnych krajach się tym interesuje i – z tego co wiem – od czasu do czasu jakiś człowiek z naszej dziedziny znika. Znika, to znaczy zaczyna pracować dla wojska. Więc nasza dziedzina w tej chwili już oferuje alternatywę dla kryptografii tradycyjnej. Jest też duży wysiłek, żeby zbudować kwantowy komputer i tutaj naprawdę nie potrafię powiedzieć czy to się może udać, czy nie. Ostatnio pracujemy nad jeszcze jednym zastosowaniem, które jest może łatwiejsze do osiągnięcia, to generowanie losowych liczb. Obecnie liczby losowe wytwarza się przy pomocy algorytmów pseudolosowych, które generują ciągi deterministyczne, wyglądające jak losowe. Losowe liczby można też pobierać z otoczenia, ale otoczenie może być monitorowane, więc w zasadzie jeżeli chcemy wytwarza liczby losowe, nie odwołując się do praw mechaniki kwantowej to mamy kłopot, ponieważ wszystkie teorie - poza mechaniką kwantową - są deterministyczne. W związku z tym w zasadzie można się wszystkiego dowiedzieć i zawsze może się okazać że nasze losowe liczby, są podstawione przez osoby trzecie. Nie ma więc czystej losowości - losowość oznacza jedynie subiektywny brak wiedzy. I dopiero mechanika kwantowa wprowadza losowość, która nie jest brakiem wiedzy – jest fundamentalna. Stąd w informacji kwantowej jest taki nurt badań, gdzie próbuje się ulepszać generator liczb losowych, bazując na mechanice kwantowej. Są w sprzedaży kwantowe generatory liczb losowych, które – z przykrością przyznam, są ponoć głównie używane przez loterie internetowe, co do których nie chciałbym, żeby w ogóle istniały. Losowość jednak przydaje się nie tylko w kasynach, ale też do celów kryptograficznych. Mieć liczby losowe, których ktoś inny nie zna, to jest jakiś zasób. Wspomniane kwantowe urządzenia generujące liczby losowe mają jednak pewną wadę - trzeba zaufać producentowi, że rzeczywiście maszyna jest zbudowana stosownie do specyfikacji. Oczywiście fizyk, który się zajmuje optyką kwantową, mógłby ją rozłożyć na czynniki pierwsze i przekonać się o tym osobiście. Ale typowy nabywca nie jest w stanie tego zrobić. Od około dziesięciu lat prowadzone są badania, zmierzające do tego, żeby urządzenie działało w sposób, który pozwala je przetestować bez zaglądania do środka, a jedynie bazując na wynikach pomiarów, co w zasadzie może uczynić każdy. Naukowcy wymyślili sposób, może nie tyle na generację losowości, ale na jej wzmacnianie. Jednak zaproponowany protokół wymagał bardzo dużej liczby urządzeń, która musiała w dodatku rosnąć wraz z liczbą losowych bitów, jaką chcemy wyprodukować. W naszej grupie udało się wymyśleć pierwszy protokół, w którym ta liczba urządzeń jest stała i niewielka, to znaczy 12.
- Panie Profesorze, ukończył Pan również teologię. Czy poznanie fizyki przybliża do Boga?
- Tutaj najlepiej zacytować fragment pięknego wiersza Asnyka, który brzmi tak:
„Za każdym krokiem w tajniki stworzenia
coraz się dusza ludzka rozprzestrzenia
i większym staje się Bóg!”
Uprawianie fizyki jest dla mnie zgłębianiem dzieła Stwórcy. I im bardziej owo dzieło jest skomplikowane, tym bardziej podziwia się Stwórcę. Ktoś mówił, że mało wiedzy oddala od Boga, a dużo wiedzy przybliża. Zgłębiając przyrodę, stajemy przed takimi tajemnicami jak czarna dziura, czy cząstki elementarne – to jest niesamowity świat. Wraz z rozwojem nauki, konstrukcje, jakie otrzymujemy w prezencie od przyrody budzą coraz większy szacunek dla Tego, który ją stworzył.
- I na koniec Panie Profesorze, jak najchętniej spędza Pan czas wolny, czas w weekendy?
- Czas wolny najchętniej spędzam z rodziną – żoną i dwoma synami. Wspólny spacer, czytanie, gry - logiczne oczywiście - bo jakżeż to, tato fizyk, więc gry muszą być ambitne, by rozwijały. Lubimy też sobie pomuzykować – moje dzieci uczą się gry na skrzypcach, a ja z nimi. Dawniej wydawało mi się, że skrzypce to nie jest instrument dla śmiertelników, ale gdy zobaczyłem, że chłopcy od trzeciego roku życia uczą się metodą Suzuki i coś potrafią, pomyślałem sobie, że to może jednak jest dla ludzi. Lubię też majsterkowanie, więc jak można coś w domu naprawić, z przyjemnością to robię. Dużo satysfakcji sprawia mi wykonanie czegoś drobnego samemu. Kupić można wszystko, ale gdy człowiek coś sam zrobi, to potem ile razy przechodzi i patrzy na to, jest szczęśliwy.
- Dziękuję za rozmowę Panie Profesorze.
- Dziękuję bardzo.
Sopot, 31 marca 2016 r.
Rozmawiał dr Tadeusz Zaleski
Zdjęcia: Piotr Pędziszewski