Η κβαντομηχανική είναι πλήρως ντετερμινιστική

 nostimonimar.gr, 1/2/2017

Συνέντευξη του Τομάσο Καλάρκο στον Θωμά Γιούργα και τον Γιάννη Μπρούζο, Μετάφραση από την Ελεάννα Μπάρδη

Ο Τομάσο Καλάρκο είναι καθηγητής φυσικής, επικεφαλής του Ινστιτούτου Σύνθετων Κβαντικών Συστημάτων του Πανεπιστημίου του Ουλμ. Είναι ένας από τους βασικούς εισηγητές του “Κβαντικού Μανιφέστου” στο οποίο περιγράφεται η “δευτερη κβαντική επανάσταση”. Ως ένας απο τους κορυφαίους επιστήμονες του πεδίου αλλά και ένας χαρισματικός δάσκαλος και πρεσβευτής της επιστήμης μας μεταφέρει σε αυτή τη συνέντευξη την έννοια αυτής της “επιστημονικής επανάστασης”

Θ.Γ.: Είστε ένας από τους πρεσβευτές της δευτερης κβαντικής επανάστασης. Γιατί χρησιμοποιήσατε τον όρο «επανάσταση» και γιατί είναι η «δεύτερη»;

Τ.Κ.: Η πρώτη κβαντική επανάσταση είναι ήδη στην τσέπη μας και το χρησιμοποιούμε. Για να είμαστε σε θέση να πραγματοποιήσουμε οποιαδήποτε εργασία με το smartphone μας, όπως π.χ. να κάνουμε μια συνομιλία, αυτή μεταδίδεται μέσω οπτικών ινών, οι οποίες τροφοδοτούνται από ακτίνες λέιζερ. Και δεν μπορούμε να έχουμε ούτε τους αναμεταδότες ούτε τα λέιζερ, παρά μόνον αν καταλάβουμε πώς λειτουργούν τα πράγματα στην κβαντική μηχανική. Συνεπώς, χάρη στην ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής μπορέσαμε να αναπτύξουμε αυτές τις τεχνολογίες που αποτελούν τη βάση της σημερινής κοινωνίας της πληροφορίας. Υπό αυτή την έννοια, δε θα μπορούσε να υπάρξει κανένα Facebook χωρίς την κβαντική μηχανική. Αλλά αυτή είναι απλώς η πρώτη κβαντική επανάσταση. Για παράδειγμα, στον υπολογιστή μας έχουμε τα ψηφία 0 και 1 που απεικονίζουν την πληροφορία και που αντιστοιχούν σε ηλεκτρόνια. Υπάρχουν δισεκατομμύρια και δισεκατομμύρια και δισεκατομμύρια ηλεκτρονίων που εργάζονται εκεί. Το ίδιο πράγμα ισχύει και για τις οπτικές ίνες, που οδηγούν σε υψηλές ταχύτητες επικοινωνίας. Πολλά δισεκατομμύρια φωτονίων παίρνουν μέρος στο έργο.

Τώρα, η δεύτερη κβαντική επανάσταση είναι η μετάβαση από αυτά τα πολλαπλά σωματίδια, σε μονάδες. Μεμονωμένα φωτόνια θα μεταφέρουν τα μηνύματά μας, ένα μεμονωμένο ηλεκτρόνιο θα περιγράφει τις πληροφορίες μέσα στους υπολογιστές. Και ποιο είναι το πλεονέκτημα; Ένα πολύ σαφές παράδειγμα είναι η επικοινωνία και η ασφάλεια: γνωρίζουμε ότι η NSA ακούει ο,τιδήποτε λέμε μέσω μεγάλων υπολογιστών που υποκλέπτουν ό,τι κυκλοφορεί στο διαδίκτυο. Πώς μπορούν να το κάνουν αυτό; Όταν υπάρχουν δισεκατομμύρια και δισεκατομμύρια φωτονίων για τη διαβίβαση των πληροφοριών, κι εκείνοι υποκλέπτουν ένα δισεκατομμύριο, δεν είναι εύκολο να το παρατηρήσει κάποιος. Αντιθέτως, εάν θα μπορούσα να στείλω ένα μήνυμα ή, ακόμα καλύτερα, έναν κρυπτογραφημένο μήνυμα με ένα μεμονωμένο φωτόνιο και η NSA προσπαθούσε να υποκλέψει την επικοινωνία μας, θα ήμασταν σε θέση να το αντιληφθούμε αμέσως.

Άρα το απόρρητο της ιδιωτικότητας θα μπορούσε να αυξηθεί μέσω αυτής της δεύτερης κβαντικής επανάστασης.

Ακριβώς, αυτό είναι το πρώτο σημείο, αυτό είναι το πρώτο προφανές πλεονέκτημα. Τώρα, ας φανταστούμε ότι μετράμε κάτι με ιατρικό εξοπλισμό, π.χ. τη δραστηριότητα του εγκεφάλου ή μια μαγνητική τομογραφία, ή οποιαδήποτε απεικόνιση του σώματός μας, ώστε να διαγνώσουμε κάποια ασθένεια. Σε αυτές τις συσκευές, υπάρχουν πολλά δισεκατομμύρια ηλεκτρονίων που μαζεύονται γύρω δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο, έτσι ώστε να μπορούμε να πάρουμε λήψη οποιασδήποτε εικόνας του σώματος. Ας φανταστούμε τώρα ότι, αντί για πολλά δισεκατομμύρια ηλεκτρονίων, παίρνουμε ένα ηλεκτρόνιο τη φορά. Έτσι, χρησιμοποιώντας αυτά τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια μπορούμε να τα βάλουμε, ένας από αυτά για παράδειγμα, δίπλα σε έναν από τους νευρώνες στον εγκέφαλό μας. Και αυτό το μεμονωμένο ηλεκτρόνιο θα μπορεί να ανιχνεύσει, αν η ιδιοπεριστροφή (spin) αυτού του νευρώνα είναι ενεργοποιημένη ή όχι -απλώς μετρώντας το μαγνητικό πεδίο που παράγει αυτός ο νευρώνας. Έτσι θα υπάρχει τρόπος για να δούμε όλες τις λεπτομέρειες της δραστηριότητας του εγκεφάλου. Αυτό δεν έχει ακόμα ολοκληρωθεί ως τεχνολογική εξέλιξη, αλλά προβλέπεται για τα επόμενα χρόνια. (Το μακροπρόθεσμο όραμα είναι η δημιουργία κβαντικού υπολογιστή προς πώληση, η οποία δεν αναμένεται να είναι διαθέσιμη μέσα στα επόμενα 10-15 χρόνια). Έτσι λοιπόν, από την ασφάλεια της κοινωνικής επικοινωνίας έως την ιατρική διαγνωστική, υπάρχει μια ευρεία γκάμα εφαρμογών γι’ αυτή τη δεύτερη κβαντική επανάσταση.

Όπως καταλαβαίνουμε, οι δύο μεγάλες υποσχέσεις από το έργο του «Κβαντικού Μανιφέστου» είναι περισσότερη ιδιωτικότητα και ένα ευρύ φάσμα από πρακτικές εξελίξεις στην καθημερινή ζωή. Ωστόσο, ένα ερώτημα σ’ αυτό το σημείο είναι, γιατί η ΕΕ θα ήταν πρόθυμη να δαπανήσει τόσο χρήματα (περίπου 1 δισεκατομμύριο ευρώ μόνο για τη μελέτη) που θα περιόριζαν την ικανότητα της NSA, για παράδειγμα, να «κρυφακούει», ενώ την ίδια στιγμή ξοδεύουν ένα τεράστιο ποσό των χρημάτων για την αντίθετη πρακτική;

Λοιπόν, αυτή είναι μία από τις πτυχές που με κάνει υπερήφανο που είμαι μέρος αυτού του προγράμματος. Από συζητήσεις που κάνουμε σε πολύ υψηλό επίπεδο, είναι απολύτως σαφές ότι υπάρχει διαφάνεια σχετικά με το πρόγραμμα και τα αποτελέσματά του. Δεν υπάρχει καμία μυστική έρευνα εδώ και θα είναι ένα έργο προς όφελος της κοινωνίας και των (Ευρωπαίων) πολιτών.

Γ.Μ. Το γεγονός ότι έχουμε αρχίσει να χρησιμοποιούμε την κβαντική θεωρία σε τεχνολογικές εφαρμογές, σημαίνει ότι την έχουμε ήδη κατανοήσει ή υπάρχουν ακόμα κάποια βαθιά μυστήρια;

Κι εγώ ο ίδιος καρδιοχτυπώ γι’ αυτά τα μυστήρια, και διασκεδάζω πολύ να συμμετέχω σε αυτό το πρόγραμμα. Επίσης είμαι πολύ υπερήφανος, όταν βλέπω ότι αυτά που προκύπτουν εξετάζοντας τα μυστήρια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην τεχνολογία. Αυτές οι δυο πτυχές που αναφέρατε πηγαίνουν χέρι-χέρι. Υπάρχουν πολλές πτυχές της θεωρίας που τώρα είναι κατανοητές, για παράδειγμα, η επικοινωνία μεταξύ μεμονωμένων φωτονίων που δίνεται στους μηχανικούς και αυτοί με τη σειρά την καθιστούν πιο εφαρμόσιμη/λειτουργική για την καθημερινή ζωή. Την ίδια στιγμή, πρέπει να υπάρξει συνεχής έρευνα σχετικά με τις θεμελιώδεις πτυχές της θεωρίας. Για παράδειγμα, η ιδέα χρήσης της κβαντικής εμπλοκής/ σύμπλεξης  προήλθε από θεμελιώδεις και παντελώς άχρηστες έρευνες. Το ερώτημα που οδήγησε ο Αϊνστάιν να αναπτύξει την ιδέα της εμπλοκής/σύμπλεξης βασίστηκε στην πεποίθηση του Αϊνστάιν ότι η κβαντομηχανική δεν μπορούσε να είναι σωστή. Και είπε «τώρα θα σας δείξω πως δεν έχει κανένα νόημα, δεν είναι ολοκληρωμένη». Κι έτσι επινόησε αυτή την πεπλεγμένη κατάσταση όπου υπάρχει αυτή η αλλόκοτη δράση από απόσταση, η οποία για τον Αϊνστάιν δεν είχε κανένα νόημα, φιλοσοφικά, όχι από τεχνολογικής πλευράς. Τούτου δοθέντος, η έννοια της εμπλοκής/σύμπλεξης κοιμόταν για 60 χρόνια και τώρα οι επιστήμονες την έχουν αναβιώσει και τη χρησιμοποιούν στην τεχνολογία. Αυτού του είδους η έρευνα βάση περιέργειας είναι απαραίτητη. Διότι εάν ξεχάσουμε το μυστηριώδες κομμάτι, στο θεμελιώδες κομμάτι θα χάσουμε την τεχνολογία  της μεθαυριανής εποχής. Και γι’ αυτό πρέπει να συνεχίσουμε την έρευνα ακόμη ακόμα και με τρελές ή άχρηστες ιδέες που δε βρίσκουν καμία άμεση εφαρμογή.

Μπορεί η κβαντική θεωρία μας βοηθήσει να κατανοήσουμε το μεγάλο μυστήριο της συνείδησης και το φιλοσοφική μυστήριο της ελεύθερης βούλησης;

Προσωπικά βρίσκω αυτά τα ερωτήματα συναρπαστικά. Η πρώτη ερώτηση που κάνω στους μαθητές μου είναι “ποια η διαφορά μεταξύ κλασικής και κβαντικής μηχανικής;» Το πρώτο πράγμα που γράφουν, και οι σπουδαστές το αντιλαμβάνονται πάντοτε λάθος, είναι ότι η κλασική μηχανική είναι ντετερμινιστική (αιτιοκρατική), σε αντίθεση με την κβαντομηχανική η οποία δεν είναι. Αιτιοκρατία σημαίνει ότι έχω μια συγκεκριμένη αρχική κατάσταση, ύστερα κάποιες ορισμένες δυναμικές και δεδομένης  της αρχικής κατάστασης και των δυναμικών, το αποτέλεσμα είναι προκαθορισμένο. Αυτή όμως συμβαίνει και με την κβαντική μηχανική. Αυτό που δεν είναι δυνατόν να προβλεφθεί στην κβαντική μηχανική είναι το εξής: Αν κάνω τώρα μία μέτρηση και να παρατηρήσω ένα σύστημα, δεν μπορώ ποτέ να πω τι θα δω, διότι μπορώ να δω μόνο πιθανοκρατικά. Αλλά αν κάνω πολλές μετρήσεις τότε το αποτέλεσμα είναι απολύτως προβλέψιμο.

Ως εκ τούτου, η κβαντομηχανική είναι πλήρως ντετερμινιστική. Αυτό είναι φιλοσοφικά συναρπαστικό και ένα απ’ τα βασικά κίνητρα γιατί άρχισα την έρευνά μου για την κβαντική μηχανική. Ένα μεγάλο ερώτημα εδώ είναι,  εάν αυτές οι επιδράσεις επιβιώσουν σε μακροσκοπικό επίπεδο. Στον κόσμο που βλέπουμε. Όσο για τη συνείδηση, η οποία είναι ένα αναδυόμενο φαινόμενο, και λαμβάνει χώρα στο σύνθετο/περίπλοκο νευρικό σύστημα,  ακόμα δεν έχουμε καμία στέρεη βάση για να υποστηρίξουμε ότι μια μέρα θα εντοπίζουμε τη συνείδηση ​βασισμένοι σε κβαντικά φαινόμενα. Η αγαπημένη μου φιλοσοφική θέση επ’ αυτού είναι η μόνη πρόταση στο κεφάλαιο 7 του Tractatus του Wittgenstein, η οποία λέει ότι «Αν δεν μπορείς να μιλήσεις για κάτι, καλύτερα να μένεις σιωπηλός». Και δεν ξέρω αν αυτό ισχύει και για τους φιλοσόφους, αλλά ισχύει σίγουρα για τους επιστήμονες. Η φαντασία είναι πολύ καλό πράγμα, όπως επίσης είναι και το να γνωρίζουμε τα όρια μας, ιδιαίτερα οι επιστήμονες.