Γράφει ο Παναγιώτης Λιάβας*

Με αφορμή την συμπλήρωση 100 ετών από την εργασία του Heisenberg, η UNESCO ανακήρυξε το 2025 «Διεθνές Έτος Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας». Μέσα από αυτό το άρθρο θα προσπαθήσω να παρουσιάσω απ’ την οπτική ενός προπτυχιακού φοιτητή Φυσικής, τόσο την σπουδαιότητα του ανθρώπινου μυαλού και της επιστημονικής μεθόδου που αναδεικνύονται άριστα μέσω αυτής της θεωρίας, όσο και τις εφαρμογές που έχει η κβαντομηχανική στην πραγματική ζωή που είναι ο λόγος για τον οποίο από εδώ και στο εξής θα ακούμε αυτόν τον όρο ολοένα και πιο συχνά. Όπως επισημάνθηκε, το παρόν άρθρο γράφεται από έναν προπτυχιακό φοιτητή με αγάπη για την επιστήμη που μελετά και όχι από κάποιον έμπειρο ερευνητή με επαγγελματικού επιπέδου κατανόηση του αντικειμένου, οπότε ζητώ προκαταβολικά συγγνώμη για οποιαδήποτε έλλειψη ή ασάφεια οδηγήσει σε σύγχυση κατά την ανάγνωση. 

Ξεκινώντας από μια σύντομη ιστορική αναδρομή, οι πρώτες επαφές μας με τον κόσμο της κβαντομηχανικής ήρθαν στις αρχές του 20ου αιώνα. Δύο από τα μεγαλύτερα προβλήματα που απασχολούσαν τους φυσικούς εκείνη την εποχή ήταν η ακτινοβολία μέλανος σώματος και η δομή της ύλης. Ξεκινώντας απ’ το πρώτο, ως μέλαν σώμα ορίστηκε ένα σώμα που ακτινοβολεί λόγω της θερμοκρασίας του. Έτσι λοιπόν, η ανθρωπότητα προσπαθούσε εκείνη την εποχή να κατανοήσει με ποιον τρόπο (ποιος μαθηματικός κανόνας περιγράφει) την ακτινοβολία που εκπέμπει ένα σώμα λόγω της θερμοκρασίας του. Οι προσπάθειες της διατύπωσης ενός τέτοιου νόμου είχαν αποβεί άκαρπες μέχρι που ο Planck (1858-1947) πρότεινε μια πολύ ριζοσπαστική ιδέα: Η ενέργεια δεν είναι συνεχές μέγεθος, έρχεται σε μικρά διακριτά πακέτα που ονομάζονται κβάντα, μια λέξη που προέρχεται απ’ την λατινική λέξη quantum που σημαίνει ποσότητα, και στην προκειμένη περίπτωση υποδηλώνει την ελάχιστη δυνατή ποσότητα. Εκεί γεννήθηκε η ιδέα της ασυνέχειας στην φύση που βοήθησε στην καλύτερη κατανόηση της δομής του ατόμου, δηλαδή στο δεύτερο μεγάλο πρόβλημα που απασχολούσε τους φυσικούς την εποχή εκείνη.

Η ασυνέχεια της ενέργειας χρησιμοποιήθηκε απ’ τον Άλμπερτ Αϊνστάιν (1879-1955) για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου (1905) κάτι που του έδωσε το βραβείο Νόμπελ το 1921. Η ερμηνεία αυτή όμως ήρθε μαζί με μια μεγάλη νοηματική αντίφαση. Ο Αϊνστάιν, στο πνεύμα της εποχής, υπέθεσε ότι το φως αποτελείται από κβάντα, δηλαδή ελάχιστα πακέτα ενέργειας. Ο ισχυρισμός αυτός ισοδυναμεί με την σωματιδιακή φύση του φωτός. Όμως, ένα απ’ τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της Φυσικής του 19ου αιώνα ήταν η διατύπωση της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας απ’ τον Maxwell (1831-1879) που ερμήνευσε πληθώρα φαινομένων και προέβλεψε πως η φύση του φωτός είναι κυματική και όχι σωματιδιακή, όπως ισχυρίστηκε ο Αϊνστάιν. Η νοηματική αυτή σύγχυση εντάθηκε περαιτέρω με την εργασία του Louis De Broglie (1892-1987), που ισχυρίστηκε, και επιβεβαιώθηκε πειραματικά, πως όλα τα σωματίδια έχουν και κυματική φύση. Ένα βήμα παρακάτω έφτασε ο Erwin Schrödinger (1887-1961), ο οποίος διατύπωσε και την σχετική εξίσωση που περιγράφει την κυματική συμπεριφορά των σωματιδίων.

Η Φυσική βρισκόταν σε κρίση με την διττή φύση που παρουσιαζόταν μπροστά τους. Η ριζοσπαστική ιδέα που θεμελίωσε το «γεφύρωμα» δύο τόσο διαφορετικών κόσμων ήταν η έννοια της πιθανότητας. Οι Φυσικοί αντιλήφθηκαν πως η κυματική εξίσωση του Schrödinger αφορούσε κύματα πιθανότητας, με την ίδια η φύση είναι εγγενώς αβέβαιη λόγω του διττού της χαρακτήρα, όπως απέδειξε και ο Heisenberg (1901-1976). Η παρούσα ανακάλυψη αποτελεί ίσως την πιο καινοτόμα ιδέα που είχε γνωρίσει η ανθρωπότητα μέχρι εκείνη την εποχή, τουλάχιστον. Το μέλλον δεν μπορεί να είναι ντετερμινιστικό, ο φυσικός κόσμος είναι πιθανοκρατικός και σε αντίθεση με τις αντιλήψεις του Αϊνστάιν «ο Θεός παίζει ζάρια με το σύμπαν». Η κβαντομηχανική εξελίχθηκε από τις επόμενες γενιές Φυσικών και κατάφερε να γίνει η πιο επιτυχημένη φυσική θεωρία που διατύπωσε ποτέ το ανθρώπινο είδος.

Υπάρχουν άνθρωποι, όπως εγώ, που τους συναρπάζει η ιδέα της κατανόησης του φυσικού κόσμου και η ιδέα των εφαρμογών ή της πρακτικής χρήσης αυτών των θεωρητικών γνώσεων έρχεται σε δεύτερο στάδιο. Όμως, οι εφαρμογές της θεωρίας αυτής δεν περιορίζονται στον θεωρητικό κλάδο. Εκτός του ότι η κβαντομηχανική μας οδήγησε στο να κατανοήσουμε καλύτερα την δομή της ύλης και μας επέτρεψε να την χρησιμοποιήσουμε για την δημιουργία νέων τεχνολογιών, υπάρχει μια συγκεκριμένη εφαρμογή που αγγίζει τον ίδιο τον πυρήνα του κβαντικού κόσμου και μας υπόσχεται «τεχνολογικά θαύματα» στα επόμενα χρόνια. Αναφέρομαι, προφανώς, στους κβαντικούς υπολογιστές.

Ένας κβαντικός υπολογιστής δεν είναι απλά ένας πολύ καλός υπολογιστής. Είναι ένα μηχάνημα που κάνει υπολογισμούς, επεξεργάζεται δηλαδή την πληροφορία, χρησιμοποιώντας τις αρχές της κβαντομηχανικής. Ένας κλασικός υπολογιστής χρησιμοποιεί το δυαδικό σύστημα, 0 αν δεν περνάει ρεύμα και 1 αν περνάει. Έτσι, μπορούμε να δημιουργήσουμε λογικές πύλες που υπό προϋποθέσεις περνά ή δεν περνά ρεύμα και εν τέλει να κωδικοποιήσουμε την πληροφορία και να κάνουμε διάφορους υπολογισμούς. Λόγω των πιθανοτήτων που κυριαρχούν στον κβαντικό κόσμο πλέον δεν έχουμε δύο καταστάσεις, αλλά περισσότερες όπου μπορούμε να έχουμε ένα συνεχές φάσμα καταστάσεων που ορίζονται ανάλογα με την πιθανότητα. Δηλαδή, ένα κβαντικό bit πληροφορίας μπορεί να είναι 1 και 0 ταυτόχρονα. Για να καταλάβουμε πως αυτό μας δίνει περισσότερη υπολογιστική ισχύ ας θεωρήσουμε δύο κλασικά και δύο κβαντικά bit πληροφορίας. Τα κλασικά μπορεί να πάρουν την μορφή (01) ή (10). Στο κβαντικό ανάλογο, τα qubits (quantum bits) μπορεί να είναι (00), (01), (10), (11). Αυτό μας δίνει μια εκθετική αύξηση της υπολογιστικής ισχύος.

Οι εφαρμογές είναι ατελείωτες. Από κρυπτογράφηση που δεν χακάρεται και σχεδιασμό νέων φαρμάκων σε πανίσχυρες προσομοιώσεις φυσικών, οικονομικών ή ακόμα και κοινωνικών συστημάτων, οι κβαντικοί υπολογιστές είναι μια τεχνολογία που όταν τελειοποιηθεί θα αλλάξει ριζικά τις δυνατότητες της ανθρωπότητας στην επεξεργασία της πληροφορίας. Παράλληλα, η  κβαντομηχανική συνεχίζει να πρωτοστατεί στις θεωρητικές μας έρευνες για την κατανόηση του φυσικού κόσμου δηλαδή στις προσπάθειες διατύπωσης μια συνεπούς θεωρίας που να περιγράφει το σύνολο των παρατηρούμενων φαινομένων στο σύμπαν.

Ότι κι αν φέρει η επόμενη μέρα της έρευνας, το μόνο σίγουρο είναι πως θα μας οδηγήσει σε μια πιο πλήρη κατανόηση του κόσμου που μας περιβάλλει, θα μας κάνει να καταλάβουμε καλύτερα την θέση μας σε αυτόν και θα μας δώσει το γνωστικό υπόβαθρο για περισσότερη τεχνολογική πρόοδο. Σε μια εποχή πληροφοριακού πληθωρισμού, ας προσπαθήσουμε να μάθουμε και να αγαπήσουμε την επιστήμη που μας βοηθά να ξεχωρίσουμε την αλήθεια από το ψέμα και ταυτόχρονα διαμορφώνει την καθημερινότητά μας. Ας πάρουμε στα χέρια μας την ευθύνη της ανακάλυψης και της κατανόησης μειώνοντας το χάσμα που άφησε το εκπαιδευτικό μας σύστημα στην αυθόρμητη περιέργειά μας, γιατί ήταν αυτό το στοιχείο της φύσης μας που μας οδήγησε στο σήμερα, και πρέπει εμείς οι ίδιοι να οδηγήσουμε τον εαυτό μας σε ένα καλύτερο αύριο.

*προπτυχιακός φοιτητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.