Jego badania mogą pomóc wejść technologii na wyższy poziom [#RazemZmieniamyInternet od 25 lat]

Polskie uczelnie pełne są młodych, ambitnych ludzi, którzy chcą tworzyć nowatorskie rozwiązania. Z okazji 25 lat WP w myśl #RazemZmieniamyInternet przedstawiamy dr. hab. Michała Tomzę.

Dr hab. Michał Tomza, fizyk z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego: To atomy, jony albo cząsteczki schłodzone do bardzo niskich temperatur. W fizyce istnieje minimalna temperatura poniżej której nie można schłodzić materii – 0 bezwzględne w skali Kelwina, czyli ok. -273 stopnie w skali Celsjusza. Ultrazimna materia ma temperaturę bardzo bliską zera bezwzględnego.

Jednocześnie trzeba wyjaśnić, że temperaturę mierzymy poprzez średnią energię ruchu cząsteczek. Cząsteczki w takiej ultrazimnej materii będą poruszać się miliardy razy wolniej niż np. cząsteczki powietrza.

Cząsteczki przestają się w takiej temperaturze zachowywać tak, jak przewiduje mechanika klasyczna, czyli prawa Newtona, które znamy ze szkoły. W rzeczywistości jest ona tylko pewnym przybliżeniem, które ma zastosowanie dla opisu świata fizycznego dużych obiektów, które są względnie ciepłe i wolne.

Jednak jeśli chcemy opisać zachowania cząsteczek w tak niskiej temperaturze, mechanika klasyczna zawodzi – tak jak wspomniałem, jest ona tylko przybliżeniem. Tutaj musi wejść do gry mechanika kwantowa.

Mechanika kwantowa jest tym, co opisuje albo bardzo niewielkie układy – na poziomie atomowym – albo zachowania materii w bardzo niskiej temperaturze. Mnie interesuje ta druga opcja, bo dzięki temu można zobaczyć mechanizmy kwantowe w skali makroskopowej, w milimetrach bądź nawet centymetrach.

Dzięki temu będziemy mogli pogłębić naszą wiedzę o materii w ogóle. We wszystkich warunkach, także w temperaturze pokojowej.

A to, jak dobrze rozumiemy zachowanie materii, przekłada się na praktyczne zastosowanie tej wiedzy w technologii. Przykładowo, "święty Graal" w tym temacie – otrzymanie nadprzewodnika w temperaturze pokojowej.

Ideą tego pomysłu jest to, że materiał nadprzewodzący nie generuje strat, więc jest dużo lepszy niż obecne kable, bo te podczas przesyłania energii produkują ciepło i w ten sposób tracą dużą część energii, co zwiększa koszty jej przesyłu.

No, ale właśnie – do dnia dzisiejszego nadal nie wiemy, co jest potrzebne, żeby stworzyć nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej. To, co nas ogranicza to właśnie ten brak wystarczającej wiedzy na temat zachowania się materii według mechaniki kwantowej.

Już teraz nie poruszamy się wyłącznie w dziedzinie science fiction. Oczywiście, nie mamy na ten temat całkowitej wiedzy, ale powstają już pierwsze rzeczy, które wykorzystują to, czego udało nam się dowiedzieć do tej pory.

Jest to, przykładowo komunikacja kwantowa, która może nam zagwarantować niespotykane dotąd bezpieczeństwo przesyłania danych. Dzisiejsze przekazywanie informacji opiera się bowiem na założeniu, że nikomu nie uda się przechwycić naszej wiadomości, kiedy ta będzie w drodze do adresata. Dla zwizualizowania – gdyby naszą rozmowę przejęły teraz jakieś służby specjalne, tak że odbierałyby sygnał ode mnie i potem przesyłałyby do pana, to byłoby to dla nas praktycznie nie do zauważenia. Zapewne dałoby się to sprawdzić wyłącznie bardzo wyrafinowaną elektroniką.

Natomiast jeśli użyjemy kwantowych środków przekazu i odczytu informacji, jesteśmy w stanie sprawdzić, czy ktoś nie przechwycił komunikatu, ponieważ w fizyce kwantowej nie da się dokonać żadnej operacji na obiekcie bez zostawienia śladu.

Kolejną z możliwości dotyczących bezpieczeństwa jest szyfrowanie. O ile wszystkie tradycyjne szyfry są do złamania, to w przypadku wykorzystania fizyki kwantowej, jesteśmy tak w stanie zaszyfrować informacje, że złamanie zabezpieczeń jest niemożliwe. Gwarantują to prawa fizyki kwantowej.

Komputery kwantowe – mimo że jest to jeszcze wciąż pieśń przyszłości, to możliwe, że powstaną one w nawet w ciągu dekady. Kwantowy komputer Google'a mimo wszystko wciąż jest jeszcze na poziomie tych naszych pierwszych tranzystorów z lat 50., ale oczywiście, technologia rozwija się z dnia na dzień.

Komputery kwantowe dadzą nam nowe możliwości, np. na stworzenie algorytmów, które nie byłby w stanie zaistnieć na zwykłych komputerach, ze względu na ich za małą moc obliczeniową.

Jeśli zamiast klasycznych bitów – 0 i 1 – które używa się w elektronice, użyjemy bitów kwantowych, czyli kubitów, to będziemy w stanie stworzyć algorytmy, które wykonują wiele zadań w znacznie krótszym czasie.

Tak, dlatego warto zrozumieć, jak ważne są badania podstawowe, którymi się zajmuję. One nie zaowocują patentem za rok, a za dwa produktem w sklepach, ale wiedza, do której próbujemy dotrzeć przez takie badania, jest konieczna dla skonstruowania wielu przyszłościowych technologii.