Cu ce vine a doua revoluție cuantică

Invenții precum tranzistorul și laserul au schimbat lumea. Ce schimbări va aduce a doua revoluție cuantică?

Pentru fizicienii care încearcau să valorifice puterea electricității, niciun instrument nu era mai important decât tubul cu vid. Acest dispozitiv asemănător unui bec controla fluxul de electricitate și putea amplifica semnalele. La începutul secolului al XX-lea, tuburile cu vid erau folosite în radiouri, televizoare și rețele de telefonie la distanță lungă.

Dar tuburile cu vid aveau dezavantaje semnificative: generau căldură; erau voluminoase; și aveau tendința de a se arde. Fizicienii de la Bell Labs au fost interesați să găsească un înlocuitor. Aplicând cunoștințele despre mecanica cuantică – în special modul în care electronii se deplasează între materialele cu conductivitate electrică – au găsit o modalitate de a imita funcția tuburilor cu vid fără aceste deficiențe.

Inventaseră tranzistorul. La acea vreme, invenția nu se afla pe prima pagină a niciunei publicații de știri importante. Nici chiar oamenii de știință nu apreciau cât de important era dispozitivul lor.

Mai întâi a apărut radioul cu tranzistori, popularizat în mare parte de noua companie japoneză Sony. Răspândirea accesului la emisiunile radio a schimbat industria muzicii și a conectat colțuri disparate ale lumii.

Tranzistorii au deschis apoi calea pentru proiectul Apollo al NASA, care a dus mai întâi oamenii pe Lună. Și poate cel mai important, tranzistorii au fost făcuți din ce în ce mai mici, micșorând computerele de dimensiunea unei camere și mărindu-le puterea, pentru a crea în cele din urmă laptopuri și telefoane inteligente.

Aceste dispozitive de inspirație cuantică sunt esențiale pentru fiecare aplicație electronică modernă care utilizează o anumită putere de calcul, cum ar fi mașinile, telefoanele mobile și camerele digitale. Nu ați citi această propoziție fără tranzistori, care sunt o parte importantă a ceea ce se numește prima revoluție cuantică.

Fizicienii cuantici Jonathan Dowling și Gerard Milburn au inventat termenul „revoluție cuantică” într-o lucrare din 2002. În ea, ei susțin că acum am intrat într-o nouă eră, o a doua revoluție cuantică. „Tocmai mi-am dat seama că, de fapt, se deschide o nouă frontieră tehnologică”, spune Milburn, profesor emerit la Universitatea din Queensland.

Această a doua revoluție cuantică este definită de evoluțiile în tehnologii precum calculul cuantic și detecția cuantică (detectarea mișcării, a câmpurilor magnetice și electrice, prin colectarea datelor la nivel atomic), determinate de o înțelegere mai profundă a lumii cuantice și de controlul de precizie până la nivelul particulelor.

Înțelegerea lumii cuantice
La începutul secolului al XX-lea, a apărut o nouă teorie a materiei și energiei. Nemulțumiți de explicațiile clasice despre comportamentul ciudat al particulelor, fizicienii au dezvoltat un nou sistem pentru a descrie ceea ce părea a fi o lume discretizată, incertă, probabilistică.

Una dintre principalele întrebări abordate de mecanica cuantică a fost cea referitoare la natura luminii. Fizicienii din secolul al XVIII-lea credeau că lumina este formată din particule. Fizicienii din secolul al XIX-lea au demonstrat că trebuie să fie formată din unde. Fizicienii secolului al XX-lea au rezolvat problema prin redefinirea particulelor folosind principiile mecanicii cuantice. Ei au propus că particulele de lumină, numite acum fotoni, au o anumită probabilitate de a exista într-o anumită locație - o probabilitate care ar putea fi reprezentată ca o undă și chiar să experimenteze interferențe ca una.

Această imagine nouă a lumii a ajutat la înțelegerea rezultatelor experimentelor, cum ar fi cele ale experimentului cu dublă fantă, care a arătat că particulele precum electronii și fotonii se pot comporta ca și cum ar fi unde.

Dar s-ar putea dovedi utilă o viziune cuantică asupra lumii în afara laboratorului?

La început, „lumea cunatică a fost de obicei văzută doar ca o sursă de mister și confuzie și tot felul de paradoxuri ciudate” (Milburn).

Dar după cel de-al Doilea Război Mondial, oamenii au început să-și dea seama cum să folosească acele paradoxuri pentru a rezolva probleme. Bazându-se pe noi idei cuantice despre comportamentul electronilor în metale și alte materiale, cercetătorii Bell Labs William Shockley, John Bardeen și Walter Brattain au creat primii tranzistori. Ei și-au dat seama că punerea semiconductorilor împreună ar putea crea un dispozitiv care ar permite curentului electric să curgă într-o direcție, dar nu în alta. Alte tehnologii, cum ar fi ceasurile atomice și rezonanța magnetică nucleară utilizate pentru scanările RMN, au fost, de asemenea, produse ale primei revoluții cuantice.

O altă invenție cuantică importantă a fost laserul.

În anii 1950, fizicienii știau că lovirea anumitor tipuri de atomi cu câțiva fotoni la energia potrivită i-ar putea determina să emită mai mulți fotoni cu aceeași energie și direcție ca fotonii inițiali. Acest efect ar genera o cascadă de fotoni, creând un fascicul de lumină stabil, drept, spre deosebire de ce se observă în natură. Astăzi, laserele sunt omniprezente, utilizate în aplicații, de la pointere laser la scanere de coduri de bare până la tehnici medicale care salvează vieți.

Toate aceste dispozitive au fost posibile prin studierea lumii cuantice. Atât laserul, cât și tranzistorul se bazează pe înțelegerea nivelurilor de energie ale atomilor. Milburn și Dowling sugerează că tehnologiile primei revoluții cuantice sunt unificate de „ideea că particulele de materie se comportă uneori ca unde, iar undele de lumină acționează uneori ca particule”.

Pentru prima dată, oamenii de știință au folosit înțelegerea mecanicii cuantice pentru a crea noi instrumente care ar putea fi folosite în lumea clasică.

A doua revoluție cuantică
Multe dintre aceste evoluții au fost descrise publicului fără a recurge la cuvântul „cuantic”.

Un motiv pentru deconectare a fost că prima revoluție cuantică nu a folosit pe deplin mecanica cuantică. „Sistemele erau prea zgomotoase. Într-un fel, întreaga bogăție a mecanicii cuantice nu era chiar accesibilă”, spune Ivan Deutsch, fizician cuantic la Universitatea din New Mexico. „Te poți descurca cu o imagine destul de clasică.”

Scena pentru cea de-a doua revoluție cuantică a fost pregătită în anii 1960, când fizicianul nord-irlandez John Stewart Bell a zdruncinat bazele mecanicii cuantice. Bell a propus că particulele cuplate cuantic (în stare de inseparabilitate cuantică) erau corelate în moduri ciudate și nu puteau fi explicate cu așa-numitele „variabile ascunse”. Testele efectuate în anii ’70 și ’80 au confirmat că măsurarea unei particule cuplate cuantic părea să determine cu adevărat starea celeilalte, cu o viteză mai mare decât ar putea călători orice semnal între cele două.

Celălalt ingredient critic pentru a doua revoluție cuantică a fost teoria informației, un amestec de matematică și informatică dezvoltat de pionieri precum Claude Shannon și Alan Turing. În 1994, combinarea unor noi perspective asupra fundamentelor mecanicii cuantice cu teoria informației l-a determinat pe matematicianul Peter Shor să introducă un algoritm de factorizare rapidă pentru un computer cuantic, un computer ai cărui biți există în suprapunere cuantică și pot fi cuplați cuantic.

Algoritmul lui Shor a fost conceput pentru a împărți rapid numerele mari în factorii lor primi. Folosind algoritmul, un computer cuantic ar putea rezolva problema mult mai eficient decât unul clasic. A fost cea mai clară demonstrație timpurie a valorii calculului cuantic.

„A creat cu adevărat întreaga idee de informație cuantică, un concept nou pe care cei dintre noi care lucrasem în domenii conexe l-am apreciat instantaneu”, spune Deutsch. „Algoritmul lui Shor a sugerat avantajele pe care le-ar putea avea noua tehnologie cuantică față de tehnologia clasică existentă, stimulând cercetarea la nivel general.”

Algoritmul lui Shor prezintă un interes deosebit în domeniul criptării, deoarece dificultatea identificării factorilor primi ai numerelor mari este tocmai ceea ce păstrează datele confidențiale în mediul online. Pentru a decripta informații criptate, un computer trebuie să cunoască factorii primi ai unui număr mare. Folosiți un număr suficient de mare, iar sarcina de a idenifica factorii săi primi poate dura în cazul unui computer clasic mii de ani. Cu algoritmul lui Shor, procesul poate dura doar câteva momente.

Calculatoarele cuantice de astăzi nu sunt încă suficient de avansate pentru a implementa algoritmul lui Shor. Dar, după cum subliniază Deutsch, scepticii s-au îndoit cândva că un computer cuantic era posibil. „Pentru că a existat un fel de compromis”, spune el. „Tipul de creștere exponențială a puterii de calcul care ar putea proveni din superpozițiile cuantice ar fi contracarat exact de sensibilitatea exponențială la zgomot.”

În timp ce invenții precum tranzistorul necesitau cunoștințe de mecanică cuantică, dispozitivul în sine nu era într-o stare cuantică delicată, așa că putea fi descris ca semi-clasic. Calculatoarele cuantice, pe de altă parte, necesită conexiuni cuantice delicate.

Ceea ce s-a schimbat a fost introducerea de către Shor a codurilor de corectare a erorilor. Prin combinarea conceptelor din teoria clasică a informației cu mecanica cuantică, Shor a arătat că, în teorie, chiar și starea delicată a unui computer cuantic ar putea fi păstrată.

Dincolo de calculul cuantic, a doua revoluție cuantică se bazează și pe noi moduri de utilizare a tehnologiei pentru a manipula materia la nivel cuantic.

Folosind lasere, cercetătorii au învățat să manipuleze energia atomilor și să-i răcească. Asemenea unui jucător de fotbal care dirijează o minge pe teren cu o serie de atingeri de picior, laserele pot răci atomii până a miliarda parte dintr-un grad peste zero absolut – metodă net superioară tehnicilor convenționale de răcire. În 1995, oamenii de știință au folosit răcirea cu laser pentru a observa o stare a materiei prezisă de mult timp: condensatul Bose-Einstein.

Alte tehnici optice cuantice au fost dezvoltate pentru a efectua măsurători ultra-precise.

Interferometrele clasice, precum cele folosite în celebrul experiment Michelson-Morley, care măsura viteza luminii în diferite direcții pentru a căuta semne ale unui eter ipotetic, au analizat modelul de interferență al luminii. Noile interferometre bazate pe unde de materie exploatează principiul conform căruia totul, nu doar lumina, are o funcție de undă.

Măsurarea schimbărilor fazei atomilor, care au lungimi de undă mult mai scurte decât lumina, ar putea oferi un control fără precedent în cadrul experimentelor în care încearcă să se măsoare cele mai mici efecte, cum ar fi cele ale gravitației.

Cu laboratoarele și companiile din întreaga lume concentrate pe progresele în știința și aplicațiile cuantice, a doua revoluție cuantică abia a început. Cum spunea Bardeen în prelegerea sa susținută cu ocazia decernării Premiului Nobel, s-ar putea să ne aflăm într-un alt „moment unic... pentru a face un alt pas mic spre controlul naturii în beneficiul omenirii”.