Fizycy połączyli sztuczki informatyki kwantowej z filozofią

Co z cechami cząstki, zanim zdemaskuje się je pomiarem? Nie wiadomo! Bo czasem sama obserwacja może zmienić rzeczywistość! Gdyby nie ten dziwny fakt, pewne protokoły komunikacyjne stosowane w informatyce kwantowej nie miałyby przewagi nad tradycyjnymi - pokazali m.in. polscy fizycy.

Fizycy pokazali nieznane wcześniej połączenie między informatyką kwantową a... filozofią dotyczącą świata kwantów. Badania ukazały się w marcu w prestiżowym czasopiśmie PNAS (http://www.pnas.org/content/early/2016/03/07/1507647113.abstract). W swoich badaniach uczeni wykazali nieznane wcześniej powiązania między tzw. efektem redukcji złożoności a nierównością Bella. "To, co robimy, to filozofia stosowana" - śmieje się w rozmowie z PAP kierownik badania prof. Michał Horodecki z Wydziału Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Gdańskiego.

Księżyc jak się patrzy

Naukowcy czasem żartem pytają czy Księżyc istnieje, kiedy nikt na niego nie patrzy. W świecie makroskopowym odpowiedź jest oczywista: no pewnie, że tak! Ale w kwantowej skali pytanie o właściwości jakiegoś obiektu przed jego obserwacją nie jest już tak banalne. Czasem bowiem to sam fakt obserwacji kształtuje rzeczywistość.

Prof. Horodecki tłumaczy to na przykładzie pomiaru pędu czy położenia cząstki. - To, że zarejestrowaliśmy pęd cząstki podczas pomiaru, nie znaczy, że możemy zakładać, że ta cecha istniała przed pomiarem. W ogóle nie powinniśmy sobie wyobrażać, że przed pomiarem jakieś właściwości "były". Nawet nie wiem, jak nazwać sytuację, jaka ma miejsce przed pomiarem. Bo to się kłóci z naszym postrzeganiem świata - przyznaje prof. Michał Horodecki. Dodaje, że ludzka wyobraźnia nie za bardzo radzi sobie z zagadkami kwantowego świata.

To jednak, z czym nie radzi sobie wyobraźnia, można czasem opisać w języku matematyki. To, że sam fakt obserwacji kreować może rzeczywistość, ma postać tzw. nierówności Bella. - Jeżeli obserwacja pokazuje rzeczywistość, która przed pomiarem już istniała, nierówność jest spełniona (wynik jest <2). Ale w obserwacjach dotyczących mechaniki kwantowej - kiedy to pomiar wykreował rzeczywistość - nierówność ta spełniona już nie jest - mówi fizyk.

Kwanty uproszczają komunikację

Nierówność Bella silnie związana jest z filozofią dotyczącą mechaniki kwantowej. Naukowcy jednak pokazali, że podejście to można powiązać z tzw. efektem redukcji złożoności informacyjnej mającym znaczenie w zupełnie innym dziale nauki o świecie cząstek - w informatyce kwantowej.

- Załóżmy, że jest bardzo wiele osób, które chcą się umówić na spotkanie i muszą znaleźć wspólne okienko przesyłając informacje na jeden z komputerów. Komputer ma więc dane z różnych miejsc i musi z nich wyliczyć łączną funkcję. Ale pytanie, jak to zrobić, wymieniając przy tym jak najmniej informacji. Ta ilość wymienianej informacji to - w uproszczeniu - złożoność komunikacyjna - opowiada prof. Horodecki.

W klasycznych komputerach wszystko jest jasne - wiadomo, jakie są ograniczenia i że nie da się ich przeskoczyć. Ale co innego, kiedy do gry wchodzą ze swoimi możliwościami komputery kwantowe z nowymi protokołami komunikacyjnymi, wykorzystujące w przetwarzaniu informacji m.in. zjawisko superpozycji. Otóż okazuje się, że dzięki mechanice kwantowej w problemach tego typu da się ograniczyć ilość przesyłanych informacji. "Kwantowe stany pozwalają więc zmniejszyć ilość zasobów komunikacyjnych potrzebnych, żeby jakąś funkcję obliczyć. Dzięki nim można więc zmniejszyć ilość przesyłanych informacji" - tłumaczy naukowiec. Ta możliwość to tzw. redukcja złożoności komunikacyjnej.

Most między informatyką, a filozofią

Czy redukcja problemu złożoności - a więc przewaga niektórych protokołów kwantowych nad tradycyjnymi - związana jest jakoś z naturą cząstek? A więc z tym, że to dopiero pomiar "przyszpila" cząstki i ustala ich właściwości? - Prawdę powiedziawszy, to zawsze byłem przekonany, że te efekty są ze sobą powiązane. Ale okazało się, że jeszcze nikt tego nie dowiódł - stwierdza prof. Michał Horodecki. I przyznaje, że potrzeba było sporej pracy, żeby taki związek pokazać.

- W naszej pracy pokazaliśmy, że w redukcji złożoności kwanty tylko dlatego się mogą przydać, że przed pomiarem nie można nic powiedzieć o ich cechach. Nie da się więc ich zasymulować w postaci bitów. A duża korzyść z korzystania z kwantów wynika właśnie z nierówności Bella. Gdyby rzeczywiście cecha cząstki istniała przed pomiarem, niepotrzebne byłyby nam kwanty, a wystarczyłaby tradycyjna informatyka - opowiada naukowiec.

- Do tej pory wiedziano - mówiąc z grubsza - jak od filozofii dojść do informatyki. Natomiast nie było odwrotnego rezultatu: jak od informatyki dojść do filozofii. Czyli gdy ktoś mi pokaże jakiś protokół redukcji złożoności komunikacyjnej, mam wskazać na stojącą za nim filozofię - złamać jakąś nierówność Bella. Dzięki naszym badaniom domknęliśmy więc problem - komentuje prof. Horodecki.

- Nasza praca nie zmierzała ku temu, by ulepszać protokoły. Chcieliśmy zbudować pomost między dwoma obszarami wiedzy. Pokazać, że to, co może być zastosowane, wiąże się z pewnym efektem filozoficznym - zaznacza fizyk.

W badaniach brali udział naukowcy z kilku polskich uczelni zrzeszonych w Krajowych Centrum Informatyki Kwantowej (Uniwersytety: Gdański, Jagielloński, Adama Mickiewicza w Poznaniu, Politechnika Gdańska) oraz z Cambridge i Centrum Wiskunde & Informatika w Amsterdamie. Polscy naukowcy byli wspierani byli przez Narodowe Centrum Nauki oraz z grantów unijnych (QESSENCE, ERC Advanced Grant QOLAPS, RAQUEL).