Poeta w świecie kwantów

Michał Eckstein: Od Pana ostatniego spotkania z „Tygodnikiem” sporo się zmieniło...

Ryszard Horodecki: Całkiem sporo. W 1978 r. „Tygodnik” [nr 42/1978 – red.] wydrukował szpaltę moich wierszy. Na pierwszej stronie była wtedy relacja z pogrzebu papieża Pawła VI. W domowych archiwach odnalazłem również inny numer, z 1976 r. [nr 15/1976 – red.]. Na stronie szóstej widnieje mój wiersz „Figa”, a na następnej znajduje się artykuł ks. dr. Michała Hellera „Astronom – humanista”. Teraz, na zaproszenie ks. prof. Michała Hellera i prof. Bartosza Brożka, wezmę udział w Copernicus Festival...

Dziś, bardziej niż Pana wiersze, znane są Pana przełomowe prace z fizyki kwantowej. Jak to się stało?

Można powiedzieć, że to „zasługa” Zbigniewa Herberta (śmiech). W 1975 r. na Uniwersytecie Gdańskim chodziłem na jego kurs poświęcony wybranym poetom europejskim. Poprosiłem go wtedy o opinię na temat moich wierszy. „Nawet mi się podobają. A czym pan się zajmuje na co dzień?” – zapytał. „Jestem adiunktem na fizyce” – odpowiedziałem. „Fizyk? O! To już zasługuje na szacunek.

Pamiętam – mówił dalej Herbert – jak na mój pierwszy wykład na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika przyszła prawie setka studentów z różnych wydziałów. W trakcie semestru po kolei się wykruszali, a na końcu zostało paru fizyków, paru matematyków i może dwóch polonistów – powiedział. – Ale jeśli pan jest adiunktem i jeszcze ma pan rodzinę, to niech pan zostanie przy tej fizyce. Poezja wysysa wszystkie soki, lepiej to zostawić jako hobby”. Posłuchałem rady Herberta i zostałem przy fizyce.

Fizyka kwantowa też potrafi wyssać soki. Co Pana do niej przyciągnęło?

Moja fascynacja fizyką miała dwojakie źródło – po pierwsze rodzice. Mama była polonistką o szerokich horyzontach. Oprócz kanonu literatury czytywała także biografie wielkich uczonych: Einsteina, Fleminga, Pasteura. Bardzo lubiła felietonistykę, szczególnie gustowała w felietonach Stefana Kisielewskiego. Ojciec, rodowity lwowianin, księgowy o zamiłowaniach inżynierskich, sprezentował mi „Zajmującą fizykę” Jakowa Perelmana. Była to, jak się okazało, znakomita lektura dla dość chorowitego chłopca. To mnie uskrzydlało, marzyłem o odkrywaniu tajemnic przyrody.

Te fascynacje sięgają też końca II wojny. Urodziłem się w 1943 r., trzy miesiące po katastrofie w Gibraltarze. Jako młody chłopak z fizyką zetknąłem się w „krajobrazie po bitwie” w sopockich lasach. Z rozbitych niemieckich pojazdów wyzierały różne intrygujące mechanizmy. Za sprawą peryskopu wymontowanego z czołgu poznawało się prawa optyki. Nasza kuchnia była jednym wielkim laboratorium, w którym pachniało kalafonią. Eksperymentowałem z najróżniejszymi pociskami i rakietami, co oczywiście mogło skończyć się tragicznie.

Nie od razu jednak został Pan fizykiem.

Zawsze chciałem, ale niestety na początku nie miałem takiej możliwości. W latach szkolnych mama mawiała: „Czasy są takie, że niezależność będzie tylko w naukach przyrodniczych. Bo twierdzenia Pitagorasa nie da się zideologizować”. Za tę przestrogę jestem jej dozgonnie wdzięczny. Jednak nie było mowy o tym, abym po maturze wyjechał studiować fizykę (na Pomorzu wtedy nie było takiego kierunku).

Eksodus z Kowla przed Armią Czerwoną do Częstochowy – miasta mojej matki, wówczas w Generalnej Guberni – znalazł swój finał w Sopocie. Zawierucha wojenna pochłonęła cały dobytek, w domu było bardzo skromnie. Zapisałem się na Wydział Łączności, przemianowany później na Wydział Elektroniki, na Politechnice Gdańskiej. Tam odebrałem solidną szkołę fizyki u prof. Włodzimierza Mościckiego, jednak wiele rzeczy, w tym teorię kwantów, zgłębiałem sam.

Po studiach, dzięki opinii recenzenta mojej pracy dyplomowej doc. dr. Andrzeja Januszajtisa, zostałem asystentem w Katedrze Fizyki Teoretycznej w Wyższej Szkole Pedagogicznej w Gdańsku. To był mój Oxford. Było nas trzech do brydża: dr hab. Jan Fiutak – kierownik katedry, mgr Eugeniusz Czuchaj – asystent, później serdeczny przyjaciel, i ja. A wykładów cała gama. Przychodził więc do mnie kierownik i mówił: „Panie Horodecki, pan tu już ma kwantową elektrodynamikę, ale może wziąłby pan jeszcze fizykę matematyczną? Od tego jest prof. Ciesielski, ale on już jest strasznie zajęty”. No i co było robić, chłonąłem kolejne dziedziny fizyki po nocach. Nieraz było tak, że zasypiałem przy biurku i studenci mnie budzili, żebym poprowadził wykład.

Zmagania te przerwał wyjazd na roczny staż do Torunia, do wybitnego fizyka o renesansowej osobowości: Romana Stanisława Ingardena, syna Romana Witolda – słynnego filozofa. Był to dla mnie szczęśliwy okres. Przebywałem w otoczeniu znakomitych naukowców. Tam, m.in. dzięki zetknięciu się z Andrzejem Kossakowskim, współodkrywcą równania nieodwracalnej dynamiki układów kwantowych, wyrobiłem sobie niezły warsztat matematyczny.

Pańska przygoda ze światem kwantów zaczęła się w Toruniu?

Kwantowa inskrypcja zafascynowała mnie już dużo wcześniej, choć etap toruński odegrał tu ważną rolę. Pierwszą wycieczkę do świata kwantów odbyłem czytając biografię Heisenberga w latach młodzieńczych. Oczywiście wtedy niewiele z tego rozumiałem, ale „zasada nieoznaczoności” rozpalała wyobraźnię. Akurat kiedy już lepiej poznałem matematyczną strukturę mechaniki kwantowej, pojawiły się przełomowe prace, które objawiły jej nowe oblicze.

Zaczęło się od słynnych nierówności Johna Bella w 1964 r. i późniejszych prac Charlesa Bennetta i Gilles’a Brassarda, Artura Ekerta, Benjamina Schumachera, Wojciecha Żurka i Williama Woottersa oraz innych, które stworzyły podstawy tego, co dziś nazywamy teorią informacji kwantowej czy (trochę na wyrost) kwantową informatyką. Wtedy też odkryłem ze zdumieniem, że nasze ratio zostało cokolwiek upokorzone. Powiedzmy sobie szczerze: to były przełomowe rezultaty oparte jednak na dość prostej matematyce. Mógł to już odkryć John von Neumann, mógł Richard Feynman, a jednak musiało minąć ponad 40 lat, żeby spadły nam łuski z oczu.

Z drugiej strony właśnie te wyniki były źródłem mojej fascynacji kwantową inskrypcją. Okazało się, że została ona odczytana jedynie częściowo i pozostało jeszcze wiele do odkrycia. Staż w Toruniu był o tyle ważny, że wywiozłem stamtąd, oprócz nieocenionej wiedzy i doświadczenia, całą torbę artykułów naukowych. Wśród nich była praca Andrzeja Jamiołkowskiego, którą rozumiałem połowicznie i do dziś nie wiem, co mnie skłoniło, żeby ją wtedy spakować. Po blisko ćwierć wieku, kiedy zajmowaliśmy się już w Gdańsku enigmą kwantowego splątania, przypomniałem sobie o tej starej pracy i wygrzebałem ją z szafy. To był moment przełomowy – wyniki Jamiołkowskiego stanowiły kładkę pomiędzy matematycznymi „detektorami” kwantowego splątania a fizycznie obserwowalnymi „świadkami splątania”.

Stąd wzięła się koncepcja „związanego splątania”?

Tak, to był pierwszy krok w tym kierunku. Choć oczywiście w tamtym czasie nie mieliśmy pojęcia, dokąd nas to doprowadzi.

Może Pan rozplątać nieco tę związaną koncepcję?

Musimy zacząć od samego splątania kwantowego, którego odkrycie wstrząsnęło społecznością fizyków. W połowie lat 30. fizycy, którzy tworzyli podwaliny mechaniki kwantowej, zaczęli zdawać sobie sprawę, że nowa teoria przewiduje istnienie tajemniczych korelacji na odległość. W 1935 r. Albert Einstein, Boris Podolsky i Nathan Rosen oraz, niezależnie, Erwin Schrödinger zaobserwowali, że – w myśl zasad mechaniki kwantowej – jeśli dwie cząstki ze sobą oddziałały, to są one splątane, czyli stan jednej z nich pozostaje zależny od drugiej, nawet gdy rozbiegną się one na przeciwległe krańce galaktyki.

Einstein i jego koledzy przeprowadzili subtelne rozumowanie, z którego wynikało, że takie korelacje kłócą się – pozornie, jak się potem okazało – z zupełnością mechaniki kwantowej jako teorii fizycznej. Ten intelektualny kłopot został ochrzczony mianem paradoksu EPR i był przywoływany przez Einsteina w jego krytyce teorii kwantów. Przez kilka dekad upiorne korelacje na odległość stanowiły sól w oku fizyków, choć mechanika kwantowa święciła kolejne triumfy i została, do pewnego stopnia, uzgodniona ze szczególną teorią względności przez Paula Diraca i Feynmana.

I wtedy pojawił się John Bell i jego słynne nierówności.

Tak, w 1964 r. pokazał on, że w dowolnej teorii na gruncie fizyki klasycznej, tzw. teorii ukrytych zmiennych) istnieje pewien górny limit na „siłę” korelacji między cząstkami. Jednak w teorii kwantów ten zakaz jest łamany przez układy splątane, czyli takie jak ten rozważany przez Einsteina i kolegów. 8 lat później Stuart Freedman i John Clauser, a następnie Alain Aspect ze współpracownikami wykonali doświadczenia, w których okazało się, że fotony nic sobie nie robią z ograniczenia Bella, za to mechanika kwantowa perfekcyjnie opisuje ich korelacje. Powstało zatem pytanie, czy można wykorzystać kwantowe splątanie do natychmiastowej komunikacji, na przekór Einsteinowi.

Okazało się, że to niemożliwe. Pierwszym wynikiem w tej materii był zakaz kopiowania nieznanego stanu kwantowego dowiedziony w 1982 r. przez Woottersa i Żurka oraz niezależnie przez Dennisa Dieksa. Później doszły kolejne twierdzenia typu „no-go”: zakaz przesyłania sygnałów, zakaz lokalnego rozgłaszania kwantowych korelacji, w których nasz gdański zespół miał swój udział. Ważne, że kwantowe splątanie było użytecznym zasobem. W 1991 r. Ekert opublikował pierwszy protokół bezpiecznego szyfrowania informacji oparty na splątaniu, gdzie jakikolwiek podsłuch bezpowrotnie niszczy zakodowaną informację. Od tamtego czasu następuje dynamiczny rozwój tego typu kryptografii. Jej nowym, obiecującym wariantem jest kryptografia niezależna od urządzenia.

Brzmi to fascynująco, ale w przyrodzie bardzo trudno utrzymać stany splątane.

Zgadza się. Można co prawda wytworzyć splątane pary w laboratorium, ale to jest układ szalenie delikatny i krótkotrwały. Problem bowiem polega na tym, że uzyskany układ splątany nieustannie oddziałuje z całym otaczającym go środowiskiem. To zjawisko, zwane dekoherencją, powoduje, że pierwotna korelacja gubi nam się w szumie pochodzącym od otoczenia. Jednak w 1996 r. Bennett i jego współpracownicy zaprojektowali maszynkę do „destylacji” zaszumionych stanów kwantowych, która potrafi wyekstrahować czyste splątanie.

Zainspirowani fascynującym wynikiem Ashera Peresa, który podał kryterium splątania stanów zaszumionych, dość szybko pokazaliśmy, że w układach dwucząstkowych alembik Bennetta działa bez zarzutu, gdy suma spinów nie przekracza trzech drugich. Ku naszemu ogromnemu zaskoczeniu okazało się jednak, że zaraz powyżej tej granicy istnieją układy tak złośliwie zaszumione przez Naturę, że nie można z nich wydestylować „czystego paliwa”. Mimo to wierzyliśmy, że i w tym przypadku kwantowa inskrypcja nie zawiedzie. Rzeczywiście, po blisko 12 latach eksperymentatorom udało się splątać cząstki i zaszumieć je tak, jak to robi Natura, ale w sposób kontrolowany – i to nieomal jednocześnie w pięciu różnych ośrodkach doświadczalnych! Splątanie nie jest zatem artefaktem matematycznym, ale prawdziwie tajemniczą inwencją Natury.

W niesamowitych przygodach w świecie kwantów towarzyszy Panu trzech synów. Jak udało się Panu ich w to wplątać?

To był proces naturalny, nie chciałem im niczego narzucać. W okresie, kiedy synowie byli mali, pracowałem intensywnie nad rozszerzeniem koncepcji dualizmu korpuskularno-falowego [powstało z tego tzw. równanie Feinberga-Horodeckiego – red.]. To był czas samotnej walki z problemem – 10 prac samodzielnych w czasopismach zagranicznych! Często siedziałem po nocach i liczyłem. Rano nie miałem już dość koncentracji, żeby spisywać wyniki, więc moja żona wystukiwała je na maszynie. Chłopcy zatem widzieli, że w nocy pali się światło, a od rana mama „stuka” na maszynie, i dopytywali, co robimy i dlaczego. Odczuwali moją pasję, moją radość, kiedy udało się coś ładnego policzyć.

Gdy nadszedł moment wyborów, najstarszy syn, Paweł, powiedział, że chce iść na polonistykę. Po dwóch tygodniach zmienił zdanie i złożył papiery na fizykę. Michał nikogo się nie radził, twierdził, że wiedział od dziecka, że zostanie fizykiem. Najmłodszy, Karol, nie chciał kopiować wyboru braci i poszedł na matematykę ze specjalnością informatyka. Ale później zaczął go demoralizować Michał i nakłonił najpierw do indywidualnego toku studiów z wiodącą fizyką, aż w końcu Karol dołączył do naszego zespołu. Jedynie córka Justyna urozmaiciła pejzaż rodzinny, wybierając germanistykę i muzykę. Chciałbym tu też podkreślić wielką rolę mojej żony, która, kiedy pojawiło się czwarte dziecko, została w domu, chociaż była najlepszą studentką i miała otwarty przewód doktorski z chemii na UG. Była to dla nas bardzo trudna decyzja, ale postawiliśmy na wspólny cel.

Co Pan robi, żeby wyplątać się choć na chwilę ze świata kwantów? Czy wraca Pan czasem do poezji?

Wierszy obecnie nie pisuję. Poezja to zresztą zbyt mocne słowo – to były tylko dwa tomiki: „Sum ergo cogito” i „Arras z Andromedy” w dwujęzycznym wydaniu. Teraz zwróciłem się ku eseistyce. Poza tym przestrzenią, w której odnajduję spokój, jest wiara. Fides nie stoi w żadnej sprzeczności z ratio, ale dopełnia obraz świata i nadaje sens codzienności.

A co dziś jest dla Pana największą enigmą? Kolaps funkcji falowej, a może połączenie kwantów z grawitacją?

Jeszcze wiele zostało zagadek do rozwikłania. Próbujemy nieśmiało dotykać kwestii kolapsu i granicy makroskopowej, ale bardzo ostrożnie, bo tak mało wciąż rozumiemy. A może pan ma w tej materii jakiś pomysł?

Mam pewną własną koncepcję, ale to wymaga geometrii nieprzemiennej. Chętnie Panu opowiem...

Rozmawiał Michał Eckstein