Redakcja: Czym była I rewolucja kwantowa?

Dr hab. Tomasz Sowiński: I rewolucja kwantowa rozpoczęła się wraz z opanowaniem przez ludzkość zjawisk zachodzących w mikroświecie, tzw. zjawisk kwantowych. Na początku dotyczyło to oddziaływania materii z promieniowaniem elektromagnetycznym. Dzięki zrozumieniu, jak materia oddziałuje z promieniowaniem na poziomie mikroskopowym, udało się przewidzieć, a następnie wytworzyć stany światła i materii niespotykane w naszym codziennym życiu.

Takim bardzo spektakularnym zjawiskiem jest np. wytworzenie światła laserowego. Naukowcy nauczyli się wytwarzać światło laserowe, które praktycznie nie powstaje w przyrodzie samorzutnie, dzięki doskonałemu zrozumieniu praw przyrody rządzących w mikroświecie. Jak każdy wie światło laserowe ma bardzo wiele zastosowań, choć zostało stworzone wyłącznie dzięki temu, że naukowcy chcieli sprawdzić, czy rzeczywiście zjawiska, które są dopuszczane, ale nie wytwarzane przez przyrodę mogą powstać w laboratorium. Dzięki światłu laserowemu możliwe stało się np. dużo szybsze przetwarzanie informacji i przesyłanie jej na duże odległości czy wykonywanie bardzo skomplikowanych operacji oczu.  

Drugim ważnym elementem I rewolucji kwantowej było opanowanie energii jądrowej, które sprawiło, że nasz świat całkowicie się zmienił. Opanowaniu energii jądrowej zawdzięczamy prawdopodobnie brak globalnych wojen, ponieważ państwa, które posiadają energię atomową same wzajemnie się kontrolują, mając świadomość, że wojna może zakończyć się globalną katastrofą. Energia atomowa pozwala także wytwarzać niezbędną nam energię elektryczną i energię cieplną przy niewielkiej liczbie radioaktywnych odpadów, które bardzo dobrze kontrolujemy. Te dwa elementy sprawiły, że w XX w. nasza cywilizacja rozwinęła się znacznie szybciej niż przez całe tysiące lat wcześniej. Świadkami rewolucji kwantowej jesteśmy obecnie każdego dnia.

Na czym polega II rewolucja kwantowa?

Aby zrozumieć II rewolucję kwantową najlepiej jest ją porównać do II rewolucji elektrycznej. I rewolucja elektryczna była związana z opanowaniem przez ludzi przepływu prądu. Miała fundamentalne znaczenie na przełomie XIX i XX w., doprowadzając do rewolucji przemysłowej, kiedy to silniki elektryczne zastąpiły ludzi i zwierzęta przy wykonywaniu ciężkiej pracy. I rewolucja elektryczna dała nam też oświetlenie, dzięki czemu zostało zrewolucjonizowane np. nauczanie. Od tamtego momentu można było wieczorami spokojnie odrabiać lekcje w domach, a jakiś czas później słuchać radia czy oglądać telewizję. Taka była I rewolucja elektryczna. II rewolucja elektryczna okazała się zaś kolejnym etapem, w którym nauczyliśmy się, jak kontrolować urządzenia elektryczne, aby wykonywały one abstrakcyjne zadania obliczeniowe, które do tej pory mógł rozwiązywać tylko człowiek za pomocą swojego umysłu.

II rewolucja elektryczna, którą nazywamy rewolucją elektroniczną lub „elektroniką” wiązała się z tym, że oprócz opanowania przepływu prądu elektrycznego, opanowaliśmy także przepływ pojedynczych elektronów. W tym właśnie sensie II rewolucja kwantowa jest do niej podobna. Obecnie w laboratoriach nie tylko kontrolujemy oddziaływanie z materią na poziomie kwantowym, ale potrafimy również kontrolować pojedyncze atomy i fotony tak, aby można było konstruować urządzenia, które wykonują zadania abstrakcyjne, wykorzystując do tego prawa fizyki kwantowej. Dziś mamy to już co prawda w laboratoriach, ale II rewolucja kwantowa doprowadzi wkrótce do tego, że urządzenia wykonujące skomplikowane zadania matematyczne, przy wykorzystaniu zjawisk zachodzących w mikroświecie i opisywanych mechaniką kwantową staną się powszechne. Mowa tu o zadaniach nierozwiązywalnych lub prawie nierozwiązywalnych przez urządzenia II rewolucji elektrycznej, czyli klasyczne urządzenia elektroniczne. Dzięki temu, że mikroświat opisywany jest w nieco inny sposób, opisem mechaniki kwantowej, niektóre zadania zbyt skomplikowane dla naszych urządzeń elektronicznych będą dość prosto rozwiązywane przez urządzenia pochodzące właśnie z II rewolucji kwantowej.

Urządzenia II rewolucji kwantowej opierają się na naszej umiejętności wytwarzania, przetwarzania, a także niszczenia nieklasycznych korelacji pomiędzy różnymi podukładami danego układu fizycznego. Kiedy rozważamy dwa fotony, to okazuje się, że można wytworzyć taki ich stan, który jest całkowicie niezrozumiały z punktu widzenia fizyki klasycznej i klasycznego opisu świata. Jednym z takich zjawisk jest np. splątanie kwantowe, które nie występuje w ogóle w świecie klasycznym. Dzięki wspomnianej umiejętności wytwarzania, niszczenia i kontrolowania takich korelacji za sprawą urządzeń II rewolucji kwantowej będziemy w stanie budować urządzenia bardzo czułe na zmiany pola grawitacyjnego lub zewnętrznych pól elektrycznych i magnetycznych. Mogą być to np. urządzenia metrologiczne dużo dokładniejsze od urządzeń, jakimi dysponujemy w chwili obecnej.

Oglądaj całość