To rzeczywistość kwantowa kształtuje naukowca, a nie na odwrót

Podczas występu rockowego w czasach nastoletnich, który miał być przełomowym momentem jego kariery, młody gitarzysta podkręcił wzmacniacz na dziesięć, licząc na ścianę dźwięku, która ugruntuje jego lokalną legendę. Zamiast tego przepalił się bezpiecznik. Cisza, która nastąpiła później, nie była tą głęboką; była to ta niezręczna cisza, która towarzyszy awarii technicznej w blasku reflektorów. Przez lata muzyk ten — który dorósł i został oksfordzkim fizykiem Vlatko Vedralem — zastanawiał się, czy po prostu nie został wrzucony do „nieszczęśliwej” wersji wszechświata. W świecie fizyki klasycznej bezpiecznik albo się przepala, albo nie. W świecie kwantowym, jak twierdzi obecnie Vedral, sytuacja jest znacznie bardziej złożona.

Standardowa narracja mechaniki kwantowej, często nauczana jako zestaw dziwnych, lecz ustalonych paradoksów, zwykle stawia ludzkiego obserwatora w centrum uwagi. Mówi się nam, że cząstki istnieją w mglistym stanie wielu możliwości — superpozycji — dopóki człowiek na nie nie spojrzy, w którym to momencie funkcja falowa „zapada się” do pojedynczej, nudnej rzeczywistości. Vedral, profesor informatyki kwantowej w Oksfordzie, należy do rosnącej grupy naukowców, którzy uważają ten antropocentryczny pogląd nie tylko za nieuporządkowany, ale prawdopodobnie błędny. Jego argument odwraca scenariusz: to nie człowiek powoduje kolaps rzeczywistości, lecz rzeczywistość wchodzi w splątanie z człowiekiem, rozgałęziając go na wiele wersji, które w bardzo specyficznych warunkach mogą wciąż szeptać do siebie nawzajem przez pustkę multiwersum.

Mit uprzywilejowanego obserwatora

„Efekt obserwatora” od dawna jest ulubieńcem spekulantów metafizycznych i pisarzy nurtu New Age, którzy twierdzą, że ludzka świadomość tworzy świat. Dla fizyka opierającego się na rygorystycznej matematyce teorii informacji jest to źródło ciągłej frustracji. Problem ze standardową interpretacją kopenhaską — ideą, że obserwacja powoduje kolaps — polega na tym, że nigdy nie definiuje ona, czym właściwie jest „obserwator”. Czy wymaga to doktoratu? Mózgu? Jednokomórkowej ameby? Krzemowego czujnika?

Jest to coś więcej niż tylko preferencja filozoficzna. Stanowi to przejście od postrzegania obserwatora jako „kontrolera” zdarzeń do postrzegania go jako elementu wewnątrz większego, deterministycznego systemu. W europejskim krajobrazie badawczym, gdzie program Quantum Flagship pompuje miliardy w rozwój czujników i zegarów kwantowych, to rozróżnienie ma znaczenie. Jeśli założymy, że obserwator jest magicznym, zewnętrznym bytem, tracimy z oczu inżynieryjną rzeczywistość: każdy element komputera kwantowego „obserwuje” każdy inny element, co prowadzi do szybkiego rozpadu informacji kwantowej, zwanego dekoherencją. Zmagania współczesnej fizyki nie dotyczą tylko zmniejszania rozmiarów urządzeń; chodzi o to, by uniemożliwić im „podglądanie” reszty otoczenia.

Ile wersji Boba potrzeba, aby zobaczyć foton?

Aby osadzić to w fizyce, Vedral posługuje się przykładem człowieka o imieniu Bob. Kiedy foton uderza w okulary Boba, istnieje on w superpozycji. Mechaniczna interakcja między fotonem a cząsteczkami szkła, a następnie neuronami w siatkówce Boba, tworzy łańcuch splątania. Fizycy nazywają to „łańcuchem von Neumanna”. Stan fotonu jest teraz powiązany ze stanem oka, który jest powiązany ze stanem mózgu.

Co kluczowe, Vedral argumentuje, że ten łańcuch nie kończy się na czaszce. Rozciąga się na otoczenie. Powodem, dla którego nie czujemy, jakbyśmy co sekundę rozgałęziali się na wiele wersji, jest ogromna złożoność tych interakcji. Gdy informacja o fotonie przenika do cząsteczek powietrza i desek podłogowych, różne wersje „Boba” stają się tak wyraźnie odrębne, że nie mogą już na siebie oddziaływać. Tracą „koherencję”.

Jednak matematyczne sedno argumentacji Vedrala polega na tym, że te gałęzie nie są całkowicie odizolowane. W wysoce kontrolowanym środowisku — takim, które bardziej przypomina lodówkę rozcieńczalnikową w laboratorium w Garching niż koncert rockowy w Londynie — teoretycznie możliwe jest, aby te gałęzie interferowały ze sobą. Jest to zjawisko interferencji kwantowej, w którym dwie ścieżki cząstki mogą się nawzajem znosić lub wzmacniać. Vedral sugeruje, że jeśli dotyczy to cząstek, musi to w zasadzie dotyczyć również wersji „ciebie”, które są z nimi splątane.

Eksperyment Alice i wymazanie pamięci

Najbardziej kontrowersyjny aspekt tej teorii dotyczy możliwości odwrócenia tych interakcji. Wyobraźmy sobie drugiego obserwatora, Alice, która ma możliwość manipulowania Bobem i fotonem, jakby stanowiły jeden układ kwantowy. Gdyby Alice mogła idealnie odwrócić splątanie między Bobem a światłem, mogłaby skutecznie „cofnąć” obserwację Boba. Z perspektywy Boba nie miałby on żadnych wspomnień o tym zdarzeniu, ale leżąca u podstaw matematyka kwantowa sugeruje, że aby odwrócenie się powiodło, musiały istnieć obie możliwe rzeczywistości.

Jest to w zasadzie makroskopowa wersja przyjaciela Wignera (Wigner's Friend), eksperymentu myślowego, który niedawno przetestowano w małych warunkach laboratoryjnych. Eksperymenty na University of Edinburgh i w innych ośrodkach wykazały, że dwaj różni obserwatorzy mogą faktycznie nie zgadzać się co do „faktu”, czy zdarzenie miało miejsce, i obaj mogą mieć rację matematyczną. To nie jest tylko błąd w komunikacji; to fundamentalna cecha krajobrazu kwantowego.

W kontekście polityki przemysłowej, tutaj teoria zderza się z praktyką. Europejskie inwestycje w komunikację kwantową — takie jak inicjatywa EuroQCI — opierają się na zasadzie, że informacji kwantowej nie można kopiować ani obserwować bez jej zmiany. Jeśli Vedral ma rację, a „obserwacja” to tylko specyficzny rodzaj splątania, którym teoretycznie mogliby manipulować lub nawet omijać obserwatorzy wyższego rzędu, nasze obecne założenia dotyczące absolutnego bezpieczeństwa sieci kwantowych mogą wymagać ponownego rozważenia. Jeśli można cofnąć obserwatora, czy można cofnąć zabezpieczenia?

Rzeczywistość nieszczęśliwego wszechświata

Sceptycyzm wobec modelu „wielu mnie” Vedrala często płynie od eksperymentatorów. W korytarzach Instytutu Maxa Plancka czy w halach produkcyjnych firmy Bosch nacisk kładzie się na ograniczanie szumu, a nie na rozważanie interferencji alternatywnych wersji siebie. Wszechświat jest niezwykle „grudkowaty” i zaszumiony. Prawdopodobieństwo, że wersja ciebie ze „szczęśliwego wszechświata”, w którym wzmacniacz się nie przepalił, wpłynie na twój obecny stan fizyczny, jest tak niewyobrażalnie małe, że wymagałoby to o wiele więcej zer, niż jest atomów w widzialnym wszechświecie.

Mimo to Vedral utrzymuje, że ignorowanie tych gałęzi jest błędem logicznym. To, że nie potrafimy łatwo zmierzyć innych gałęzi, nie oznacza, że nie są one częścią funkcjonalnego opisu rzeczywistości. Postrzega wszechświat jako gigantyczny komputer — perspektywę podzielaną przez jego kolegę z Oksfordu, Davida Deutscha. W tym podejściu, zbliżonym do „teorii konstruktora”, fizyka nie dotyczy tego, co się dzieje, lecz tego, jakie przekształcenia są możliwe i dlaczego. Jeśli istnieje twoja wersja, w której dokonałeś innego wyboru, ta możliwość jest zakodowana w warunkach początkowych wszechświata.

Istnieje tu nieodłączne napięcie między brytyjską szkołą fizyki teoretycznej, która często skłania się ku tym rozległym, wszechogarniającym interpretacjom rzeczywistości, a bardziej pragmatycznym, skoncentrowanym na inżynierii podejściem kwantowych hubów nad Renem i Ruhrą. Podczas gdy Oksford zastanawia się, czy mózg Boba jest funkcją falową, niemieccy inżynierowie starają się zapewnić, aby kubit mógł pozostać stabilny przez więcej niż kilka mikrosekund w temperaturze czterech kelwinów. Oba podejścia są potrzebne, ale mówią różnymi językami.

Anegdota Vedrala o zespole rockowym przypomina, że nauka często zaczyna się od osobistego poczucia niesprawiedliwości — uczucia, że sprawy powinny potoczyć się inaczej. Mechanika kwantowa, w jego ujęciu, jest jedyną dziedziną nauki, która faktycznie pozwala na to, by owo „inaczej” istniało. Sugeruje, że rzeczywistość nie jest pojedynczą ścieżką przez las, lecz całym lasem, a my jesteśmy zbyt zajęci patrzeniem pod własne stopy, by dostrzec inne wersje nas samych spacerujące między drzewami.

Ostatecznie idea, że inna wersja ciebie kształtuje twoją rzeczywistość, pozostaje nieudowodnioną, a być może nieudowadnialną hipotezą. Znajduje się ona na granicy tego, co nazywamy nauką, właśnie dlatego, że „inne wersje” są z definicji niedostępne. Jednak w miarę zbliżania się do budowy wielkoskalowych systemów kwantowych, które obejmują miliony splątanych cząstek, możemy odkryć, że granica między „eksperymentem laboratoryjnym” a „wersją rzeczywistości” zaczyna się zacierać. Na razie bezpiecznik pozostaje spalony. Oksford ma teorię, ale reszta świata wciąż czeka na taką wersję eksperymentu, która faktycznie zadziała.