Marek Powichrowski

Piwo Schrödingera

Pewnie niejeden czytelnik się zdziwi na tytuł tej notki. Kot Schrödingera jest znany każdemu inżynierowi, ale “piwo Schrödingera”? Tytuł pochodzi od spotkania jakie miałem ze znajomymi inżynierami, które to spotkanie było typowym wyjściem “na piwo”. A, że ustaleniu terminu towarzyszyło wiele wtrętów z fizyki kwantowej traktowanej żartobliwie i z przymrużeniem oka, więc ostatecznie to spotkanie zostało nazwane jak w tytule.

W trakcie ustaleń terminu spotkania ktoś z rozmówców powiedział, że wymyślone zostały szachy kwantowe. Nawet podany został link do nich. Podobno można nawet w takie szachy grać przy pomocy komputera. Mnie jednak zastanowiło czy w ogóle coś takiego jak szachy kwantowe jest możliwe z fizycznego punktu widzenia. Czy w oparciu o znane dotąd prawa fizyki kwantowej można je skonstruować. Zadałem sobie to pytanie, ponieważ wiem z doświadczenia, że Internet przemyca mnóstwo głupot, które trzeba pracowicie odrzucać jak ziarno od plew.

Po pierwszym – bardzo dobrym zresztą – piwie piernikowym przedstawiłem zgromadzonym swój dowód na to, że szachy kwantowe nie istnieją. Otóż załóżmy, że szachownica nie jest kwantowa i gracze nie są kwantowi. Kwantowe są tylko figury. Wobec tego przed każdym ruchem gracz musi zrobić pomiar funkcji falowych wszystkich figur, aby stwierdzić ich położenia . Mając położenia wszystkich figur może wymyślać strategię. Ok, wymyślił jakąś strategię. Teraz, aby wykonać ruch wybraną figurą musi dokonać ponownego pomiaru funkcji falowych wszystkich figur, aby przekonać się, że on tam jeszcze są, na poprzednich swoich miejscach. Ale w tym szkopuł, że ich tam wcale nie musi być! One mogły w czasie wymyślania strategii zmienić swoje położenie (no taka jest ich natura, tych kwantowych obiektów). Czyli cały misternie wymyślony plan jest w tym momencie psu na budę. Ale załóżmy, że jednak będą na swoim miejscu. I teraz gracz próbuje wykonać ruch taką figurą kwantową. Zna jej położenie, teraz musi ją przemieścić na inne pole, czyli musi nadać jej określony pęd. I teraz stop. Jeżeli nada jej pęd to nie będzie wiedział gdzie ta figura jest (kłania się zasada nieoznaczoności Heisenberga). Czyli jego ruch jest bezsensowny. Co właściwie kończy dowód. Sprawa jeszcze bardziej się komplikuje gdy gracze są kwantowi. Bo wtedy na wymyślenie strategii gracz musi zużyć określoną porcję energii, ale wtedy wchodzi nam w pa-radę zasada nieoznaczoności dla pary kanonicznej energia-czas. Bo skoro potrzebuje określonej ilości energii, to nie wiemy ile czasu zajmie mu wymyślenie takiej strategii. Szach-mat.

Piwo było dobre, towarzystwo też. Poprosiłem o krytyczne spojrzenie na mój dowód, ale płynny chmiel tak przyjemnie wpływa na usposobienie, że nikt nie zaprzeczył logiczności mojego dowodu. A co najważniejsze, nie wymagało to żadnych obliczeń na serwetkach w pubie.

Zadowolenie moje nie trwało jednak długo (pomimo braku protestów lub stwierdzenia luk w moim rozumowaniu). Bo oto trafiłem na informację, że firma Google opracowała komputer kwantowy, którego moc obliczeniowa jest tak duża, że rozwiązał w dwieście sekund problem, którego rozwiązanie zajęłoby najszybszej obecnie maszynie około dziesięciu tysię-cy lat. Ale jak to możliwe? Przecież w takim komputerze kwantowym gramy właśnie w kwantowe szachy? Jak to możliwe?

Po pierwsze słowo komputer jest jak na razie mocno na wyrost i nie może się kojarzyć z tym co stoi na naszych biurka w formie pe-ce-ta. Jest to raczej liczydło zbudowane do rozwiązania określonego problemu (na przykład rozkładu na czynniki pierwsze określonej liczby). Liczydło to może nawet za duże słowo w tym wypadku. No dobrze, ale jak to działa? Czy omijane są ogólne zasady fizyki kwantowej? No nie, nie mogą być pominięte. Nie ma takiej opcji. Podobnie jak w wyżej omawianych szachach musimy operować na rozpoznawaniu stanów naszych figur szachowych. W przypadku komputera kwantowego figurą szachową jest kubit, czyli stan kwantowy obiektu, na przykład jego spin. Aby stwierdzić w jakim stanie jest dany obiekt należy dokonać pomiaru jego stanu. Oczywiście do budowy kubitów i ich rejestrów wybiera się specjalnie dobrane materiały, spełniające wysublimowane wymagania, “procesor kwantowy” utrzymywany jest w temperaturze bliskiej zera, pobudzanie odbywa się wiązką światła lub radiową. Z pomocą w “obliczeniach” przychodzi kwantowe splątanie, które ma taką właściwość, że mierząc stan obiektu wiemy jaki będzie stan obiektu z nim stowarzyszonego. No i rzecz najważniejsza, obliczenia mogą być prowadzone równolegle na niewyobrażalną skalę. W procesorach obecnych komputerów jest to bardzo ograniczone. Oczywiście to wszystko ładnie brzmi, ale do takich komputerów kwantowych stosuje się zupełnie inne algorytmy, które są znacząco odległe od tego z czym się to do tej pory kojarzyło. Ale podobnie odległa jest cała fizyka kwantowa od naszego potocznego myślenia. Jak ja rozumiem koncepcję komputera kwantowego to jego ideą jest jak największe uprawdopodobnienie prawdopodobieństwa pomiaru określonego stanu kubita, ponieważ procesor kwantowy za “rozwiązanie” bierze ten pomiar, którego wynik został uzyskany z największym prawdopodobieństwem. Trochę to może wyglądać jak masło maślane, ale chyba oddaje to sens działanie takiego komputera.

Gdyby ktoś miał podczas czytania tego fejletonu jakieś problemy typu “ale dla mnie ta cała fizyka kwantowa jest zdecydowanie za trudna” to powiem tylko, że wybitni fizycy – nawet ocierający się o nagrodę Nobla w fizyce – mówią podobnie: “potrafimy obliczać efekty kwantowe z dokładnością do wielu miejsc po przecinku ale nie wiemy jak to działa”. Koniec cytatu.

No to pięknie. Komputer Google rozwiązał w dwieście sekund coś, co najszybszemu komputerowi na Ziemi zajęłoby około dziesięciu tysięcy lat. I jakoś tak jest, że na tego typu informacje patrzymy z optymizmem. No bo spójrzmy na przykład na taki problem komiwojażera, czyli wybrania najkrótszej trasy przedstawicielowi handlowemu. Problem rośnie wraz z ilością miast tak astronomicznie, że znalezienie najlepszego rozwiązania jest poza zakresem życia firmy transportowej na rynku. Nawiasem mówiąc kiedy obserwuję przedstawicieli handlowych na naszych drogach to jakoś nie mam żadnych wątpliwości, że oni każdą marszrutę pokonają w najkrótszym czasie, co prawda po drodze łamiąc wszystkie przepisy i dobijając samochód firmowy. I to bez użycia komputerów kwantowych.

Ale na tym nie koniec jeżeli chodzi o nasz wkład w zjawiska kwantowe. Heisenberg odkrył zasadę nieoznaczoności, to wiemy wszyscy. Ale przecież my w polskim obiegowym języku mamy od dawna powiedzenie, że nie można “mieć ciasteczko i zjeść ciasteczko”. Czyż nie jest to ta sama zasada nieoznaczoności? I na dodatek w formie, którą zrozumie każda gospodyni domowa. Brawo my!

I to nie koniec na tym. Mamy bowiem w naszym kraju obiekt, którego stan jest mierzalny z takim samym wynikiem, za każdym razem z prawdo-podobieństwem równym pewności, który to obiekt łamie nagminnie regułę nieoznaczoności. W jaki sposób ją łamie?

Ano on, ten obiekt, jest jednocześnie “za a nawet przeciw”.

NUMER 57 – GRUDZIEŃ 2019

● Od naczelnego …
● Z życia Oddziału SEP
● ENERGETAB 2019 – Krzysztof Woliński – 32.Międzynarodowe Targi Energetyczne ENERGETAB 2019
● Nauka i praktyka – Stanisław Kiszło, Michał Szymański – Wybrane zagadnienia dotyczące łączników średnich napięć
● Z historii elektryki – Paweł Mytnik – Wykrywacz min „typu polskiego” – wynalazek, który znacząco wpłynął na losy II wojny światowej
● Nauka i praktyka – Tomasz Biernacik, Ryszard Skliński – Ograniczanie wartości wyższych harmonicznych napięcia
● Studenci o sobie – Joanna Więcko – XXI ODME 2019 w Poznaniu
● Relacja – Krzysztof Woliński – Wycieczka na Białoruś „Śladami wielkich Polaków”
● Felieton – Marek Powichrowski – Piwo Schrödingera
● Z żałobnej karty