Če v vsakodnevnem življenju lahko stvarem določimo položaj, hitrost ali barvo, v svetu, ki ga proučuje Zeilinger - ki pa je prav toliko resničen in vsakdanji, le da je mikroskopski - za delce ni mogoče reči dosti drugega, kot da je "verjetno", da so tam, kjer bi lahko bili, in da imajo nekatere lastnosti, ki bi jih lahko imeli. Osnovno je spoznanje, da narava v najpomembnejših podrobnostih nima določenih lastnosti ne glede na to, ali jo opazujemo ali ne. Da torej ljudje realnost soustvarjamo s tem, da jo opazujemo.

Vse to Anton Zeilinger dokazuje z "izstreljevanjem" delcev čez laboratorijske mize, skozi šeststometrski tunel pod Donavo, prek več kot sto kilometrov širokega morja med kanarskima otokoma Tenerife in La Palma. Eksperimentalno preverja in nadgrajuje fenomene, kot so superpozicija (zmožnost enega delca ali molekule, da ima navidezno "hkrati" različne, tudi nasprotujoče si lastnosti) ali prepletenost - težko razumljivo povezanost poljubno oddaljenih delcev v celoto, ki jo je Einstein imenoval "strašljivo delovanje na daljavo" in ki je v praksi videti tako, kot bi šlo za en sam delec, čeprav je jasno, da sta dva.

V zadnjih dvajsetih letih je Zeilinger s sodelavci izvedel nekaj poskusov, odločilnih za stroko, za katere bo najverjetneje - tako napoveduje fizikalna stroka - kmalu prejel Nobelovo nagrado. O teh poskusih smo se pogovarjali v njegovi prostorni pisarni znanstvenega direktorja Inštituta za kvantno optiko in kvantne informacije avstrijske znanstvene akademije na Dunaju.

Profesor Zeilinger, ki hkrati predava fiziko na dunajski univerzi, vodi znanstveni center, ki privlači mlade fizike z vsega sveta. Pri njem doktorske in postdoktorske raziskave opravlja približno sto fizikov z vseh celin. Zeilinger sodi v vrh svetovne fizike, v Avstriji pa je "zvezda" tudi v javnem življenju: na javni televiziji so ga poleg Freuda in Wittgensteina uvrstili v ozek izbor "pomembnih Avstrijcev".

Kljub vidnemu navdušenju nad svojim delom in tudi nad samim seboj na trenutke zveni kot skromni učeči se otrok. Kot je povedal v pogovoru, je bilo zanj "največje presenečenje v življenju" spoznanje, da so ga zelo bazični poskusi z najmanjšimi delci pripeljali na prag povsem novega pogleda na vesolje - vesolje informacij. "Nekje globoko leži spoznanje, da je pomembna zgolj informacija," je dejal po tem, ko je razložil, kako osnovni delci v trenutku "izginejo" tu in se pojavljajo tam - kar potuje vmes, pa je zgolj informacija o njihovih lastnostih. Od tega do visokoleteče prihodnosti - teleportacije, kvantne kriptografije in kvantnega računalništva - je zgolj nekaj korakov.

Profesor Zeilinger, vaše knjige govorijo o fiziki, pa tudi o filozofiji. Če začnemo s slednjo: ali sva s kolegom fotoreporterjem obstajala, preden sva vstopila v vašo pisarno in ste naju opazili?

Seveda sta obstajala! Kako lahko vprašate kaj takega?!

Sprašujem nalašč. Vaše delo in delo vaših kolegov na področju kvantne fizike odpira vprašanja, ki še nedavno niso imela smisla. Danes se lahko sprašujemo, ali snov globoko v sebi, na ravni osnovnih delcev, sploh obstaja tako, kot smo vedno verjeli, da obstaja - tudi če je ne opazujemo. Obenem pišete, da ne vidite nobenega razloga za to, da se kvantni fenomeni načeloma ne bi dogajali tudi na ravni vidne snovi. Za kaj gre?

Temeljne meje med osnovnimi delci in makroskopskim svetom res ni. Kvantni pojavi pa se v vidnem svetu ne dogajajo zaradi kompleksnosti makroskopskih sistemov. Da bi bilo nekaj kvantno, morate zagotoviti, da bo vaš sistem izoliran od okolja. Pri makroskopskih sistemih to enostavno ni mogoče pri stopnji znanja, ki ga imamo danes. V prihodnosti bo morda mogoče.

Vprašanje o obstoju realnosti vodi torej do presenetljivih rezultatov zgolj, če govorimo o izoliranih sistemih. Ker vas in fotografa še ne moremo izolirati od ostalega sveta, vprašanje, ali sta obstajala, preden sem vaju zagledal, ni smiselno.

V knjigi Ples fotonov ste zapisali, da na začetku vaše raziskovalne kariere kolegi fiziki niso podpirali vašega dela. Je bilo preveč nenavadno?

To je bilo pred tremi desetletji in bilo je težko. Mnogi kolegi so menili, da gre zgolj za filozofska in ne fizikalna vprašanja. Mislim pa, da je bilo to dobro. Dobro je biti previden. Preveč lahko je govoriti, težje je bilo s poskusi priti do rezultatov.

Lahko, prosim, razložite osnovni problem "lokalnega realizma", ki ga je ovrgla kvantna fizika? Gre načeloma za vprašanje, ali je delec res tam, kjer mislimo, da je, in ali je tam tudi, če ga ne vidimo?

Sam bi bil bolj natančen: če delec opazujem, torej opravim meritev njegovih lastnosti, lahko ugotovim, da je tu, na določeni lokaciji. Predpostavka, da je tu, ker je bil tu v trenutku, preden sem opravil meritev, pa je napačna. Četudi bi bila takšna predpostavka v našem vsakdanjem pogledu na svet pravilna. Avtomobil, ki ga vidim, je tam ne glede na to, ali ga gledam ali ne. Tam je bil tudi, preden sem pogledal, o tem ni dvoma. Za kvantne delce pa ta predpostavka ni pravilna.

Torej zanje ni določenosti ne v prostoru ne v času?

Kvantni delec pred opazovanjem ni obstajal niti na enem določenem mestu niti na katerem drugem mestu. Enostavno ni imel mesta. Imel je zgolj potencial, da je tu, tam, tam ali tam (pokaže s prstom po zraku).

Se je zato v kvantni fiziki razvil izraz, da je delec "na dveh mestih ob istem času"?

Takšen izraz je zelo nenatančen. Ni mi všeč. Res pa je, da ga mnogi uporabljajo. Sam ne vem, kaj naj bi pomenilo, da je delec na dveh koncih hkrati. Bolje je reči, da je delec v superpoziciji obeh možnosti.

Torej gre zgolj za verjetnost, da bo delec nekje? Pišete tudi o negotovosti. O tem, da je fizika zagotovo ugotovila, da je negotovost srž sveta, ki ga opazuje.

Negotovost zagotovo ni edino, o čemer smo lahko gotovi. Raje bi rekel, da smo lahko gotovi o verjetnosti, da se delec nahaja tu, tam ali tam čez. To je seveda več kot popolna negotovost. Obenem pa to ni enako kot verjetnost, da bomo delec našli na določenem mestu, če ga bomo opazovali. Naj povzamem: če opazujemo veliko delcev naenkrat, bomo videli, da so nekateri tu, drugi tam in tako dalje. Pred opazovanjem pa noben delec ni bil na določenem mestu. Niso imeli lokacije. Če še bolj poenostavim: vsak delec zase ne more vedeti, kje se nahaja. Ve zgolj, kolikšna je verjetnost, da je tam ali kje drugje. Na primer, s petdesetodstotno verjetnostjo ga bomo našli na enem mestu, s petdesetodstotno verjetnostjo pa na drugem.

Kako se takšen pogled na realnost povezuje s kvantnim fenomenom prepletenosti delcev, ki ga je Albert Einstein poimenoval "strašljivo delovanje na daljavo"? Vsakodnevni pogled na svet ne zna razložiti, kako lahko prepletena delca, ki sta poljubno oddaljena drug od drugega, med seboj komunicirata v istem trenutku, hitreje kot s hitrostjo svetlobe, ki je sicer po veljavni teoriji absolutna hitrost, s katero lahko karkoli potuje.

Nadaljujemo pripoved o delcu, ki je nekje, vendar še sam ne ve, kje. Ko imamo prepletena delca, za oba ni gotovo, kje sta. V trenutku, ko opravim meritev na enem in ugotovim, kje je, pa vem tudi, kje je drugi. Drugi delec, kot pravimo, v istem trenutku privzame točno določeno lokacijo ne glede na to, kako daleč stran je prvi delec. Opazovanje prvega delca spremeni potencialnost v aktualnost tudi pri drugem delcu. To se je zdelo Einsteinu strašljivo.

Vemo pa, da imata prepletena delca, ki letita vsak v svojo smer po prostoru, skupen vir. To bi lahko pomenilo, da so bile ustrezne informacije delcema vtisnjene že na začetku, z meritvijo pa smo jih zgolj razkrili. Vendar so vaši eksperimenti to možnost ovrgli. Kako?

Opazovati je treba več parov kvantnih delcev, pri čemer ima vsak par natančno določene lastnosti. Z meritvami dobimo torej rezultate, ki jih poznamo. Matematični model, ki mu pravimo Bellov teorem in ki v siceršnjem svetu popolnoma drži, pa takšnim rezultatom nasprotuje (laično rečeno: pri seštevanju rezultatov meritev, ki jih opravijo fiziki na kvantnih delcih, se izkaže, da ena plus ena ni enako dva, op.p.).

Leta 1998 ste s sodelavci na inštitutu v Innsbrucku izvedli poskus s tremi prepletenimi delci. Zapisali ste, da je šele kombinacija treh omogočila "dokončni dokaz, da je veljaven kvantni pogled na svet in ne lokalno-realistični pogled", ki trdi, da imajo delci definirane lastnosti, denimo položaj v prostoru, neodvisno od tega, ali jih opazujemo ali ne. Zakaj so bili potrebni trije prepleteni delci?

Če izmerite dva, lahko povsem natančno predvidite stanje tretjega. Kdor zagovarja lokalni realizem, bi na osnovi meritve prvih dveh delcev dejal, da bomo tretji delec zagotovo našli tu. (pokaže na levo stran mize) Kvantna mehanika pa predvideva, da bo tam. (pokaže na desno stran mize) Pri treh prepletenih delcih to lahko kvantna mehanika napove z gotovostjo in ne zgolj kot potencialno možnost, kot pri dveh delcih. Pokazali smo torej, da nasprotje med lokalnim realizmom in kvantno mehaniko ni posledica statistike.

In dejansko ste delec našli drugje, kot bi pričakovali?

Da.

Z več prepletenimi delci ste opravili tudi uspešno teleportacijo delca.

Tehnično je zgodba enaka, za teleportacijo pa smo uporabili štiri delce. V obeh eksperimentih smo uporabili fotone in pri obeh smo morali ugotoviti, kako preplesti delca, ki nimata skupnega izvora, ampak sta bila ustvarjena neodvisno drug od drugega.

Je "teleportacija" pravi izraz za to, kar ste naredili? Izvira namreč iz znanstvene fantastike.

Takšen izraz so predlagali tisti, ki so si poskus prvi teoretično zamislili (Charles Bennett in Gilles Brassard leta 1993, op.p.). Je primeren in neprimeren obenem. Napačno si je predstavljati, da gre za način, kako teleportirati ljudi, in da bo to postal način potovanja.

Res pa je, da je mnogo elementov takšnih kot v znanstveni fantastiki. Najbolj pomembno je, da imam delec tukaj, na tej strani mize, ki sicer ne izgine, temveč izgubi vse svoje lastnosti. Na drugi strani pa ustvarimo delec, ki ima lastnosti, ki jih je prvi izgubil. To je nekoliko bolj zanimivo od "standardne" teleportacije, saj ne gre za transport snovi, ampak za transport informacij. S tem pokažemo, da nekje globoko leži spoznanje, da je pomembna zgolj informacija.

Transport informacije z enega na drugi delec se zgodi v istem trenutku (hitreje kot s hitrostjo svetlobe, op.p.). Vendar tega ne moremo vedeti, dokler po "klasičnem" kanalu, denimo po radijski zvezi, tistemu, ki opazuje novonastali delec, ne sporočimo "ključa za razumevanje" tega delca. Šele potem lahko drugi opazovalec prepozna lastnosti drugega delca.

Ali zato pravite, da potovanje hitreje od svetlobne hitrosti ni problem, dokler ne vemo, kaj je potovalo?

Bolj natančno: dokler prejemnik ne more razumeti sporočila. Potem ni problema, če določeno sporočilo potuje hitreje od hitrosti svetlobe. Teleportacija torej pomeni, da je informacija sicer potovala hitreje od svetlobe, vendar je bila zakodirana, skrivna. Prebrati jo bo mogoče šele, ko bo prejemnik prejel klasični signal. Ta pa lahko potuje samo s svetlobno hitrostjo.

Je ob tem že mogoče govoriti o kvantni kriptografiji?

Največje presenečenje, ki sem ga doživel v življenju, je, da so naši eksperimenti, ki smo jih naredili iz povsem fundamentalnih razlogov, postali pomembni za ideje o novi informacijski tehnologiji. Tega nikakor nisem pričakoval - kvantne kriptografije, kvantnih računalnikov in podobnih stvari.

Ko govorimo o kriptiranih, skrivnih informacijah, hitro pomislimo na diplomatske depeše in Wikileaks. Bi bila situacija drugačna, če bi bili diplomatski dokumenti zakodirani na kvantni način?

S kvantno fiziko lahko informacije na računalniku zakodirate tako, da jih nihče, ki vdre v računalnik, ne more prebrati. Na noben način. Sporočila so zakodirana s pomočjo generatorja naključnih števil, ki deluje na kvantni način (gre za popolna naključja in ne za matematične algoritme, ki naključja simulirajo, op.p.). Prepričan sem, da bi bil marsikdo, ki je bil povezan z depešami, zelo vesel, če jih ne bi bilo mogoče prebrati.

Tukaj na Dunaju vam je na kvanten, torej popolnoma varen način uspelo tudi nakazilo denarja na banko.

Oh, to smo naredili za publiko. Denar smo prenesli med mestno hišo in banko. Vse informacije na bančni kartici so bile zakodirane s kvantno kriptografijo. Uporabili smo prepletene pare delcev - en par je predstavljal pošiljatelja, drugi pa prejemnika. Rezultati meritev (meritve lastnosti delcev so bile mehanizem, ki je sprožil nakazilo, op.p.) so bili popolnoma naključni, vendar identični - zaradi Einsteinovega "strašljivega delovanja na daljavo". (nasmešek)

Kaj so na to porekli bančniki?

Bili so navdušeni. Problem z bankami in vsemi velikimi sistemi pa je, da se sicer zavedajo, da je kvantna kriptografija pomemben korak, vendar imajo trenutno zaščitne sisteme, s katerimi so zadovoljni. Občasno se pojavi kakšen problem, ampak nič posebnega.

Ko pa se s kakšnim bančnikom neformalno usedem ob pivu, mi prizna, da ne morejo biti popolnoma prepričani, da so varni. Nekega dne bi lahko nastal velik problem. Takrat, pravijo, se bomo prišli pogovarjat o kvantni kriptografiji. (smeh)

Ukvarjate se tudi z razvojem kvantnih računalnikov. Ti naj bi delovali hitreje od običajnih zaradi superpozicije, ki delcem omogoča, da prenašajo več informacij kot običajno, ker lahko - v računalniškem jeziku - en delec hkrati prenaša informacijo "nič" in informacijo "ena"?

Res je. To je mogoče zaradi superpozicije delcev in zaradi njihove prepletenosti.

Vendar tak računalniški sistem ne sme biti prevelik, saj mora biti, da bi bil kvanten, izoliran od okolja?

Odvisno od tega, kakšen sistem opazujete. Če kvantni računalnik uporablja fotone, delce svetlobe, je po naravi stvari izoliran, saj foton redko interagira. Težko pa je sestaviti kompleksen sistem fotonov. Doslej je zgornja meja osem fotonov, kar ni ravno veliko.

Vendar imamo tudi druge ideje, denimo računalnik z ioni, ki je tudi lahko izoliran od okolja. Vendar za to potrebujete gigantski aparat - velike laserje in vakuumske sisteme. Ali pa superprevodnike oziroma polprevodnike. Ti sistemi za zdaj še ne delujejo dovolj kakovostno.

Kakšna je vaša napoved za bližnjo oziroma daljno prihodnost?

Najboljša napoved za prihodnost je pravzaprav Moorov zakon, ki pravi, da se bodo v petnajstih do dvajsetih letih računalniški čipi toliko zmanjšali, da bo en elektron prenašal en bit informacije. Takrat bomo torej dosegli kvantni režim. Lahko, da se bo to zgodilo deset let kasneje, ampak to ni bistveno.

Koliko hitrejši bo kvantni računalnik od današnjega?

Vsi radi slišali številko, vendar to ni mogoče. Razlika bo kvalitativna. Obstajajo problemi, ki so za standardni računalnik preveč kompleksni, za kvantnega pa ne. Najbolj znan primer je faktorizacija števil (razstavljanje velikih števil na prafaktorje in nasprotno je osnova današnjih najboljših sistemov zaščite bančnih transakcij ipd., op.p.).

Razvili ste tudi "enosmerni" kvantni računalnik. Kako deluje?

Na začetku naš enosmerni kvantni računalnik proizvede kvantno stanje z veliko kubiti, kvantnimi biti (bit je osnovna enota informacije, v računalnikih torej "nič" ali "ena", op.p.). Takšno kvantno stanje na začetku vsebuje informacije o vseh problemih, ki ste jih in ki jih boste kadarkoli želeli rešiti. To pomeni, da pozna odgovore na vse možne računske operacije. Vprašanje pa je, kako izluščiti odgovor, ki ga želimo.

Vaš računalnik lahko primerjamo s knjižnico, v kateri so vse knjige, ki jih je mogoče napisati?

Nekako tako, vendar je v knjižnici ena sama knjiga. V njej pa je - preden jo odpremo - na vsakem mestu lahko katerakoli črka. Vse možnosti so odprte, ker gre za kvantne informacije.

Kako iz nje dobiti odgovor na konkretno vprašanje? Kvantni biti so med seboj prepleteni. Če izmerimo enega, se spremenijo vsi ostali. Kvantne bite moramo zato izmeriti v določenem zaporedju. Kvantne informacije, ki stanejo, pa predstavljajo rezultat računanja. Kvantno knjigo torej prisilimo, da proizvede rezultat na naše vprašanje. Ta rezultat pa pred tem (ko v "knjigo" še nismo gledali, op.p.), ni obstajal. Zelo čudno?

Čudno, vendar gladko zveni.

Zveni preveč gladko! (smeh)

V knjigi ste zapisali, da "ta bazična nedoločenost vesolja še ni postala del našega pogleda na svet".

Takšen je moj občutek. Ljudje vedno mislijo, da mora vse imeti namen in da ima vse svoj vzrok. Vendar posamezen kvantni dogodek nima vzroka. To je zelo zanimivo.

Zapisali ste, da je "bog naredil svet zanimiv tudi zase s tem, da še sam ne ve, kaj se bo zgodilo" s posameznim delcem.

Boga lahko definirate tako, da ve tisto, kar je mogoče vedeti. Stvari, ki jih ni mogoče vedeti, pa tudi bog ne pozna. (smeh)

Ali lahko razumete, zakaj ljudje v vašem delu včasih vidijo nekaj, kar je nad človekovim razumom?

Morda zato, ker nisem bil dovolj previden pri razlaganju svojega dela, ali pa ker se ljudje ne trudijo dovolj, da bi razumeli.

Morda pa zgolj človeški jezik še ni razvil pravih besed, s katerimi bi izrazili kvantne fenomene. Denimo, kako izreči, da delec ni ne tu ne tam, ampak ima samo možnost, da je tu ali tam.

Morda konceptualno še ne razumemo dovolj dobro osnovnih stvari. Morda prehitro potegnemo zaključke. Ne smemo fantazirati.

Vendar fantazija postaja realnost. Lani so na univerzi v Santa Barbari v Kaliforniji fiziki pod vodstvom Andrewa Clelanda opravili poskus z resonatorjem, ki je bil velik desetinko milimetra. Napravica je bila električno povezana s kvantnim bitom. Kot so zapisali v ugledni reviji Physicsworld, je zato resonator, ki ga je kot nekakšen prašni delec mogoče videti s prostim očesom, hkrati vibriral in ni vibriral.

Da, bil je v superpoziciji vibriranja in nevibriranja. Ta primer poznam, gre za eksperimentalno delo, ki se je začelo tu pri nas, v tej stavbi, pred kakšnimi šestimi leti. Vendar se mi takšen opis ne zdi pravi, kot se mi tudi ne zdi prav, da bi rekli, da je delec na dveh lokacijah hkrati. To je nesmisel. Enako velja za vibriranje. Boljša možnost je reči, da obstaja objektivna negotovost, ali vibrira ali ne. Objektivna v smislu, da tudi resonator sam ne ve, ali vibrira ali ne. Ima obe potencialni možnosti. Prav tako ni mogoče reči, da je vibriral ali da ni vibriral, preden smo izmerili, ali vibrira ali ne. Vsak človek bi sicer rekel, da je povsem jasno, da velja eno ali drugo - je vibriral ali pa ni vibriral. Vendar tega nikakor ne moremo reči. Ne gre zgolj za našo nevednost. Takšna je lastnost kvantnega sistema!

Človek mora biti torej zelo discipliniran, ko govori o kvantni fiziki?

Zelo privlačno je, da bi rekel preveč. Zelo privlačno je reči, da je Schrödingerjeva mačka mrtva in živa obenem (gre za znani miselni poskus fizika Erwina Schrödingerja iz leta 1935, v katerem je mačka zaprta v od okolja popolnoma izolirani škatli obenem s kvantnim delcem, ki je v superpoziciji dveh lastnosti in ki je povezan s stekleničko strupa; dokler škatle ne odpremo in ugotovimo, katero od obeh popolnoma enako možnih lastnosti je delec privzel, je mačka v superpoziciji življenja in smrti. V kvantni fiziki je popularen izrek, da je zato "Schrödingerjeva mačka živa in mrtva obenem", op.p.). Zame pa je še veliko bolj presenetljivo, da bo v prihodnosti takšen poskus dejansko mogoče izvesti in da bomo lahko rekli, da obe možnosti, da je mačka živa in mrtva, nekako sobivata.

Če pa se vrnemo k resonatorju - dejansko lahko rečemo le, da informacija o tem, ali vibrira ali ne vibrira, ne obstaja nikjer, niti na samem resonatorju. Še sam ne ve, ali vibrira. To je bolj čudno, kot če bi rekli, da vibrira in ne vibrira hkrati. Zame je to znak, da moramo v prihodnosti zelo natančno analizirati predpostavke o naravi informacije. Vprašati se moramo, kdo ima določeno informacijo. Vi? Jaz? Mi vsi? To so zelo globoka in zelo odprta vprašanja, ki nas bodo nekoč nekam vodila. Nekaj novega bomo odkrili samo, če bomo natančno analizirali naše osnovne predstave in znanja.