Entanglemet

Koju ulogu ima kvantna spregnutost - entanglement u kvantnim računalima?

Spregnutost (entanglement) je pogonsko gorivo koje kvantnom računalu daje nezamislivu moć. Bez spregnutosti, kvantno bi računalo bilo tek malo brža verzija običnog računala. U običnom računalu, ako imate 8 bitova, svaki od njih radi za sebe (jedan je nula, drugi je jedan, itd.).

U kvantnom računalu, zahvaljujući spregnutosti, možemo povezati sudbine kubita. Kada spregnemo dva supravodljiva kubita, oni postaju jedan sustav. Što god se dogodi jednom kubitu, trenutačno utječe na drugi, čak i ako ih razdvojite. Kada imamo N običnih bitova, oni mogu u jednom trenutku prikazati samo jedan broj. Ali ako spregnemo N kvantnih kubita, oni zbog superpozicije i spregnutosti mogu istovremeno držati i obrađivati 2^N stanja odjednom! Kod 300 spregnutih kubita, broj kombinacija koje računalo istodobno obrađuje iznosi 2³⁰⁰ – što je više od ukupnog broja atoma u cijelom poznatom svemiru! Spregnutost omogućuje računalu da pretražuje sve te milijarde kombinacija odjednom, a ne jednu po jednu kao obični PC.

Albert Einstein je ovaj fenomen mrzovoljno nazvao "sablasnim djelovanjem na daljinu", jer zvuči kao čista magija. Zamislite dvije „čarobne“ kockice za igru. Jednu zadržite kod sebe u Zagrebu, a drugu pošaljete prijatelju u New York. Kada vi u Zagrebu bacite svoju kockicu i dobijete šesticu, prijateljeva kockica u New Yorku u tom istom djeliću sekunde, sama od sebe, okrene se na jedinicu! Iako su udaljene tisućama kilometara, njihove su sudbine neraskidivo povezane.

Kada znanstvenici "spregnu" umjetne atome (kubite) u nevidljivu kvantnu mrežu, oni više ne rade svaki za sebe, već kao jedno super-biće. To spregnuto stanje omogućuje kvantnom računalu da ne rješava probleme korak po korak, poput običnog laptopa, nego da testira milijarde mogućih rješenja odjednom. To je kao da umjesto jednog detektiva koji traži trag, pošaljete cijelu vojsku detektiva koji u istoj sekundi pretražuju svaki kutak grada.

Zašto se kod objašnjavanja entanglementa uvode velike udaljenosti, neki čak spominju galaktičke daljine između spregnutih entiteta? Činjenica spregnutosti jednako je fascinanta i kada bi čestice bile u susjednim sobama ili u kutijama jedna pored druge.

Udaljenost nema nikakve veze s time koliko je sam fenomen fascinantan. "Kockice" koje su spregnute na udaljenosti od nekoliko milimetara unutar istog kvantnog čipa jednako su "nemoguće" i čudesne za klasičnu fiziku kao i one razdvojene svjetlosnim godinama.

Fizičari (i popularizatori znanosti) stalno guraju te goleme, galaktičke udaljenosti kao povijesni inat iz potrebe da se dokaže da klasična fizika tu definitivno gubi utakmicu. Uvođenje velikih udaljenosti služi isključivo kako bi se eliminirao jedan vrlo logičan prigovor koji svatko od nas ima kada prvi put čuje za ovaj fenomen.

Efekt "Lijeve i desne rukavice"

Kada bismo vam rekli da su kockice u dvije susjedne sobe spregnute, naš klasični, zdravorazumski um (koji je imao i sam Albert Einstein) odmah bi ponudio jednostavno objašnjenje: "Čekaj malo, tu nema nikakve magije. Vi ste te kockice nekako unaprijed namjestili ili programirali prije nego što ste ih razdvojili u sobe."

To se u fizici objašnjava analogijom rukavica. Ako uzmete par rukavica, stavite lijevu u jednu kutiju, a desnu u drugu, i jednu kutiju odnesete u susjednu sobu – onog trenutka kada otvorite prvu kutiju i vidite lijevu rukavicu, vi trenutačno znate da je u susjednoj sobi desna. Tu nema nikakvog prijenosa informacija u tom trenutku; sudbina rukavica bila je određena onog trenutka kada ste ih pakirali u kutije. To se u fizici zove teorija skrivenih varijabli. Zašto su nam onda potrebne galaksije i brzina svjetlosti?

Goleme udaljenosti se uvode da bi se dokazalo da kvantne čestice nisu poput rukavica. One nemaju unaprijed zapisan plan. Kvantna čestica doslovno "bira" svoje stanje (da li je nula ili jedan, da li je šestica ili jedinica na kockici) tek u trenutku kada je izmjerimo.

Zamislite da su kockice (ili rukavice) udaljene jednu svjetlosnu godinu (udaljenost koju svjetlost proputuje za godinu dana):

1.    Vi bacite svoju kockicu i dobijete šesticu.

2.    U tom istom djeliću sekunde, kockica udaljena svjetlosnu godinu pokaže jedinicu.

Prema Einsteinovoj teoriji relativnosti, ništa u svemiru (nikakav signal, informacija ili sila) ne može putovati brže od svjetlosti. Da bi prva kockica "javila" drugoj: "Hej, ja sam se upravo okrenula na šesticu, ajde sad ti  okreni jedinicu", tom signalu bi trebalo godinu dana da stigne do nje.

Budući da se promjena na drugoj kockici dogodila trenutačno, u nultom vremenu, to eliminira svaku mogućnost da su čestice "šaptale" jedna drugoj ili poslale signal kroz naš prostor.

Za kvantno računalo udaljenost je nebitna

Unutar kvantnog procesora kubiti se nalaze na udaljenostima manjim od širine vlasi kose. Oni se sprežu tik jedan uz drugog. Fizičari spominju galaksije samo zato što su fascinirani filozofskim pitanjem: Kako priroda uspijeva održati tu vezu bez obzira na prostor i vrijeme? No za samo računanje, ta "magija" radi savršeno i obavlja sav posao na milimetarskoj skali unutar čipa.

U analogiji s rukavicama, u svakoj kutiji definitivno je lijeva ili desna rukavica od trenutka kada se rukavice stave u kutiju. Neznanje o tome koja je koja je sve što se mijenja kada se kutije otvore. To sugerira da je informacija cijelo vrijeme bila "skrivena", a udaljeno otvaranje kutije je samo otkriće, a ne uzrok. U klasičnoj analogiji, prednost je određeno, prethodno postojeće svojstvo .

Isprepletena kvantna čestica nema određenu vrijednost sve dok se ne izvrši mjerenje. Prije mjerenja, čestica se nalazi u superpoziciji svih mogućih stanja. Čin mjerenja jedne čestice trenutno prisiljava cijeli sustav (obje rukavice) da se "uruše" u određeno stanje. U kvantnoj isprepletenosti, svojstvo je neodređeno sve do mjerenja. To je ujedno i objašnjenje zašto je Einstein toliko razbijao glavu oko ovoga. Zašto nam je uopće potreban pojam kvantne superpozicije i kolapsa valne funkcije.

Klasična rukavica vs. Kvantna "rukavica"

Situacija	Klasični svijet (Rukavice u kutijama)	Kvantni svijet (Spregnute čestice)
Prije otvaranja / mjerenja	Rukavica u kutiji A je definitivno lijeva (ili desna). Informacija postoji, samo je skrivena od nas.	Čestica A nije ni lijeva ni desna. Ona je istovremeno i lijeva i desna (nalazi se u superpoziciji).
Čin otvaranja / mjerenja	Otvaranjem kutije mi samo saznajemo ono što je već otprije bilo istina. Ništa nismo promijenili.	Mjerenjem prisiljavamo česticu A da izabere (npr. postane lijeva). U tom trenu sustav doživljava kolaps.
Učinak na drugu kutiju	Druga rukavica je i prije bila desna, mi smo to samo logički zaključili.	Čestica B, koja je također bila u superpoziciji, u tom istom djeliću sekunde biva prisiljena kolabirati u suprotno stanje (desna).

Dugo se vodila rasprava: je li u pitanju samo "naše neznanje" (skrivene varijable) ili se svojstvo stvarno stvara u trenutku mjerenja? Einstein je do kraja života vjerovao da su rukavice "određene od početka", tvrdeći da Mjesec postoji i kada ga nitko ne gleda. Međutim, 1964. godine sjevernoirski fizičar John Stewart Bell osmislio je matematički teorem (Bellov teorem), a kasniji eksperimenti (za koje je također dodijeljena Nobelova nagrada 2022. godine) dokazali su da je Einstein bio u krivu. Čestice nemaju skriveni plan. Svojstvo se doslovno rađa u trenutku mjerenja.

Zašto je ovo važno?

Ovo duboko razumijevanje objašnjava zašto je kvantno računalo tako moćno.

Da su kvantni čipovi poput običnih kutija s rukavicama (gdje je sve unaprijed određeno, samo mi to ne znamo), računalo bi moralo pogađati i otvarati kutiju po kutiju (klasični procesor).

Ali zato što su kubiti u superpoziciji (istodobno i lijeva i desna, i nula i jedan) i spregnuti, kvantno računalo ne mora "pogađati" što je u kutijama. Ono manipulira samom tom neodređenošću. Činjenica da se svojstvo stvara tek na kraju omogućuje računalu da drži sve opcije otvorenima tijekom izračuna, rješavajući problem u jednom jedinom, masovnom kvantnom kolapsu.

Kvantna magija: Kockice koje nemaju broj dok ih ne pogledate

Pravo magično oružje kvantnih računala skriva se pod nazivom kvantna spregnutost (entanglement). Albert Einstein je ovaj fenomen mrzovoljno nazvao "sablasnim djelovanjem na daljinu", jer potpuno prkosi našoj logici.

Zamislite da imate dvije vrlo neobične kockice za igru. Kada ih stavite u kutije, one nemaju ispisan niti jedan broj – na njihovim stranama nema točkica. One se nalaze u stanju koje fizičari zovu superpozicija: one su u isto vrijeme i jedinica, i dvojka, i trojka... sve dok su kutije zatvorene, sve opcije (⚀ ⚁ ⚂ ⚃ ⚄ ⚅) su istovremeno stvarne.

Sada jednu zatvorenu kutiju zadržite kod sebe, a drugu date prijatelju. Kada vi otvorite svoju kutiju i pogledate u nju, vi u tom djeliću sekunde prisiljavate svoju kockicu da napokon izabere jedan broj – recimo, padne na šesticu. Ono što ovaj sustav čini kvantno spregnutim jest sljedeće: u tom istom trenu, prijateljeva kockica (koja je do tada bila prazna i neodređena) automatski se "urušava" u suprotno stanje i postaje jedinica (crvena točka)!

Za razliku od običnih rukavica (gdje je lijeva rukavica uvijek bila lijeva, samo mi to nismo znali dok nismo otvorili kutiju), kod kvantnih čestica broj uopće ne postoji prije mjerenja. Čin gledanja u prvu kockicu doslovno stvara stvarnost za obje kockice u isto vrijeme.

Budući da kubiti drže sve opcije otvorenima sve do samog kraja, kvantno računalo može testirati milijarde mogućih rješenja odjednom. Tek na kraju, u jednom masovnom kvantnom kolapsu, računalo nam isporuči točan odgovor.

Ilustracija je vizualna metafora za kvantnu spregnutost (entanglement). Precizno prenosi ključne kvantne koncepte na jednostavan način.

1. Gornja slika: Stanje superpozicije (Upitnici)

Obratite pažnju na upitnike (?) iznad obje čestice dok izlijeću iz kutije. To je ključni detalj! Kutija (izvor) izbacuje dvije čestice koje su spregnute, ali njihovo stanje (smjer spina/strelice) još uvijek ne postoji. One nisu "programirane" u kutiji da jedna bude gore, a druga dolje. Dok putuju kroz prostor, obje se nalaze u superpoziciji – one su istovremeno i "gore" i "dolje". Upitnik izričito upućuje na tu neodređenost.

2. Donja slika: Čin mjerenja i kolaps valne funkcije

Na donjoj slici vidimo detektor (uređaj koji izgleda kao skener ili mikroskop) koji cilja isključivo samo desnu česticu.

• Onog trenutka kada detektor "pogleda" desnu česticu, ona biva prisiljena izabrati stanje - i pokazuje strelicu prema gore 🡅.
• U istom tom trenu, na lijevoj čestici (koju nitko nije mjerio niti je dirao) upitnik nestaje i pojavljuje se strelica prema dolje 🡇.

Ova ilustracija "ruši" klasičnu logiku.

Zorno prikazuje zašto se ne radi o skrivenim rukavicama u kutijama:

• Da je riječ o običnim rukavicama, lijeva čestica bi imala strelicu dolje već na gornjoj slici, samo što mi to ne bismo vidjeli jer nema detektora.
• U kvantnoj stvarnosti, koju crtež dobro prati, strelica dolje na lijevoj čestici materijalizira se tek kao izravna posljedica mjerenja desne čestice.

Ukratko: Gornji crtež prikazuje dvije spregnute čestice koje izlijeću iz uređaja. Iznad njih su upitnici jer one nemaju definirano stanje dok putuju – nalaze se u superpoziciji. Na donjem crtežu, znanstvenici mjere samo desnu česticu i ona "bira" smjer prema gore. U tom istom trenutku, bez ikakvog odgađanja, lijeva čestica automatski dobiva suprotan smjer (prema dolje), iako je nitko nije dirao. To je to Einsteineovo "sablasno djelovanje na daljinu"!

Slika znanstveno vrlo vjerno dočarava prijelaz iz neodređenog (?) u određeno (🡅) stanje pod utjecajem mjerenja.