IW: Skúsme na začiatok vysvetliť,
čo je to kvantová informatika a čím sa zaoberá váš
výskum?
To, čo robíme na našom pracovisku v Slovenskej akadémii
vied, je súčasťou širokej výskumnej iniciatívy, v
ktorej sú zaangažované univerzity a výskumné
laboratóriá v Európe, v Spojených štátoch,
v Japonsku i v Austrálii.
Je to výskum založený na Landaurovej paradigme, že
informácia je fyzikálna, a preto akékoľvek spracovanie
informácie je fyzikálny proces. Z toho vyplýva, že
zákony fyziky jednoznačne determinujú, čo sa dá,
respektíve čo sa nedá s informáciou robiť. V našom
„makroskopickom“ svete platia princípy klasickej fyziky. Tie určujú
charakter spracovania informácie, tak ako ho poznáme dnes.
Determinujú vlastnosti logických hradiel, určujú,
ako sa môže „klasická“ informácia prenášať,
spracovať, kopírovať atď.
Zákony klasickej fyziky však majú obmedzenú
platnosť. Dajú sa aplikovať na „makroskopickej“ úrovni.
Všetky súčasné procesory sú „klasické“ v tom
zmysle, že narábajú s informáciou, ktorá je
kódovaná v bitoch, a procesy spracovania a prenosu informácie
sú riadené zákonmi klasickej fyziky.
Tí, ktorí poznajú Moorov zákon, vedia,
že každých 18 až 20 mesiacov sa zdvojnásobuje počet tranzistorov
v integrovaných obvodoch. Ak extrapolujeme tento proces miniaturizácie,
zistíme, že približne o 15 rokov by sa jeden bit informácie
mal kódovať na úrovni individuálnych atómov.
Na tejto úrovni však už platia zákony kvantovej fyziky, ktoré
determinujú aj pravidlá spracovania informácie. Jednou
z veľkých prekážok, ktorá sa zdala priam neprekonateľným
problémom, je prítomnosť kvantového šumu. Ide o inherentný
kvantovomechanický šum, ktorého sa nevieme „zbaviť“
a ktorý musíme akceptovať, pokiaľ chceme uvažovať o spracovaní
informácie na základe zákonov kvantovej fyziky. Na
druhej strane tie isté zákony umožňujú využiť vlastnosti
kvantových objektov na veľmi efektívne spracovanie informácie.
Typickým príkladom je tzv. princíp superpozície,
podľa ktorého sa kvantové objekty súčasne môžu
„nachádzať“ v mnohých stavoch. Keby sme si teda predstavili
atóm, ktorého jeden stav reprezentuje logickú nulu a
iný jeho stav logickú jednotku, potom podľa kvantovej teórie
sa atóm môže súčasne nachádzať v oboch týchto
stavoch. Takáto superpozícia logickej nuly a jednotky sa na
rozdiel od klasického bitu nazýva q-bit (quantum bit). Nuž a
ak si predstavíme celý register kvantových bitov, ktorý
sa môže nachádzať v superpozícii všetkých možných
vstupných stavov, potom pochopíme potenciál kvantového
paralelizmu, ktorý, zdá sa, môže spôsobiť revolúciu
v našich predstavách o tom, čo je a čo nie je riešiteľné. Klasická
predstava o triedach zložitosti sa môže dramaticky zmeniť. Výskum
v oblasti kvantového spracovania informácie je stále
iba v počiatkoch, napriek tomu sa doň vkladajú veľké nádeje.
Medziiným sa uvažuje o kvantovom procesore, ktorý by bol schopný
faktorizovať 128-bitové číslo za 30 sekúnd. Budúcnosť
tohto projektu je nejasná, motívy sú však prozaické
a veľmi lákavé. Takýto kvantový procesor by
bol účinným nástrojom na dešifrovanie kryptografických
kľúčov, distribuovaných pomocou protokolu RSA.
Je zaujímavé, že zákony kvantovej fyziky na
jednej strane aspoň v teoretickej rovine poskytujú nástroj
na dešifrovanie najpoužívanejšieho kryptografického protokolu.
Na druhej strane zákony kvantovej fyziky umožňujú kryptografické
kľúče posielať naozaj bezpečne s využitím relácie neurčitosti,
ktorá je typická pre kvantové systémy. Alternatívne
možno využiť tzv. kvantové prepletenie, t. j. kvantové korelácie,
ktoré nemajú klasický analóg. Kvantové
zariadenia na distribúciu kryptografických kľúčov
už existujú a dokonca sú komerčne prístupné
(pozri www.idquantique.com alebo www.magiqtech.com). Iným komerčným
využitím kvantovej neurčitosti je zatiaľ najlepší generátor
náhodných čísel, ktorý sa dodáva ako
karta do obyčajného pécečka.
Kvantová fyzika teda otvára nové možnosti na
spracovanie a prenos informácie. Táto oblasť výskumu
sa nazýva kvantová informatika. Naša skupina participuje
na výskume niektorých špecifických problémov,
spojených so spracovaním kvantovej informácie. Snažíme
sa pochopiť, kde sú hranice rôznych transformácií
nad informáciou, ktorá je zakódovaná v stavoch
kvantových systémov. Konkrétne v súčasnosti
sa venujeme opisu univerzálnych programovateľných kvantových
procesorov, t. j. kvantových zariadení, v ktorých
stav jedného kvantového systému (programového
registra) determinuje charakter transformácií druhého
kvantového systému (dátového registra). Popri
tomto študujeme kvantové náhodné kráčania alebo
charakter kvantových korelácií v mnohočasticových
systémoch a ich možné využitie pri prenose informácie
(viac sa o našich aktivitách dozviete na
www.quniverse.sk).
IW: Ako ste sa vlastne dostali do týchto projektov? Ako
to, že v Európe akceptovali slovenský vývojový
tím?
V lete 1990 som odcestoval do Londýna, kde som pracoval v
skupine profesora Petra L. Knighta v Imperial College. Vtedy bol jedným
z doktorandov P. Knighta Artur Ekert, ktorý v tom čase navrhol
využiť nelokálnosť kvantovej teórie (mimochodom, vlastnosť
kvantovej teórie, s ktorou sa nevedel vyrovnať Albert Einstein)
na prenos kryptografických kľúčov. Konkrétne v kvantovom
svete sa môžu dva objekty nachádzať v takom spoločnom stave,
že ich individuálne stavy sú úplne náhodné,
ale spoločný stav je jasne determinovaný. Každý z
objektov sa pred tým, ako sa premeria, môže nachádzať
v ľubovoľnom stave s rovnakou pravdepodobnosťou. Meraním sa však
stav meraného objektu jednoznačne determinuje. Z nelokálnosti
kvantovej teórie vyplýva, že i druhý, nemeraný
objekt sa meraním prvého objektu dostáva do veľmi
špecifického stavu, ktorý je jednoznačne korelovaný
so stavom prvého objektu. Nuž a túto vlastnosť kvantových
systémov využil Artur na navrhnutie úplne nového kryptografického
protokolu, ktorý je de facto absolútne bezpečný. Diskusie
s Arturom Ekertom, ktorý je dnes profesorom v Cambridge, boli pre
mňa prvým kontaktom s kvantovou teóriou spracovania informácie.
Sám som sa začal zaujímať o problém optimálnej
rekonštrukcie stavov kvantových systémov z neúplných
experimentálnych dát. Neskôr v spolupráci s
profesorom Markom Hillerym z Hunter College v New Yorku sme analyzovali
problém kopírovania kvantovej informácie. Spolu sme
navrhli prvý kryptografický protokol založený na mnohočasticových
kvantových koreláciách, opísali sme univerzálne
kvantové NOT hradlo, na ktorého experimentálnej realizácii
som spolupracoval so skupinou profesora DeMartiniho v Ríme.
Samozrejme, trvalo dlho, pokiaľ sa mi podarilo založiť v Bratislave
skupinu venujúcu sa výskumu kvantovej informácie.
Do istej miery tak ako všetko aj môj záujem o kvantovú
informáciu bol súhrou náhod. Samozrejme, že založenie
výskumnej skupiny už bolo výsledkom sústredeného
úsilia a práce, ktorá vyústila do našej účasti
vo viacerých európskych projektoch.
IW: Pracujete teda na viacerých projektoch, financovaných
zo zdrojov Európskej únie. Čo je cieľom tohto európskeho
programu?
V kontexte výskumných aktivít podporovaných
zo zdrojov Európskej únie existuje program Future and Emerging
Technologies, čo by sa dalo interpretovať ako výskum v oblasti budúcich
a vznikajúcich technológií. V rámci tohto
programu je jeden podprogram, prostredníctvom ktorého sú
financované projekty zamerané na kvantové spracovanie
a prenos informácie. Naša skupina v ostatných piatich rokoch
participovala na deviatich takýchto projektoch, pričom dva priamo
koordinujeme. Jednou z veľkých výhod takýchto projektov
je, že máme možnosť úzko spolupracovať s mnohými výskumnými
skupinami v Európe, a to nielen s teoretikmi, ako sme my, ale aj
s experimentátormi. Toto je pre nás úplne nová
skúsenosť – analyzovať výsledky experimentálnych skupín
alebo sa priamo podieľať na návrhu experimentov, na verifikácii
teoretických modelov.
IW: Toto však patrí skôr do základného
výskumu. Existuje predstava o praktickom využití projektov?
V spolupráci s Dr. Jasonom Twamleym z Írskej národnej
univerzity v Maynooth sme pripravili návrh veľkého projektu
s rozpočtom 600 miliónov korún, na ktorom participuje 36
výskumných pracovísk v Európe, Austrálii
a v Spojených štátoch. Cieľom projektu je využiť existujúce
vedomosti o kvantovej informácii na „praktické“ účely.
Je to veľmi netriviálna úloha. Cieľom projektu je okrem iného
experimentálna realizácia kvantovej pamäte a kvantového
repeatera. Uvidíme, čo sa nám podarí. Zatiaľ však projekt
nemáme schválený, a tak je predčasné hovoriť
o detailoch. Ako som už povedal, praktické aplikácie kvantových
informačných technológií sú už dnes komerčne
prístupné. Navyše nie vždy je cieľom základného
výskumu konkrétna aplikácia výsledkov. Poznanie
má svoju nezameniteľnú hodnotu.
IW: Toto je asi jeden z mála príkladov, ako sa
dá robiť veľká veda aj na Slovensku. Možno túto skúsenosť
zovšeobecniť a načrtnúť, ako na to aj v iných oblastiach
vedy?
Možno som naivný, ale úprimne verím, že na Slovensku
máme predpoklady na to, aby sme robili kvalitný výskum.
Musím zdôrazniť, že väčšina mojich kolegov nesúhlasí
s takýmto priamočiarym optimizmom. Napriek tomu si myslím,
že „veľká“ veda sa dá robiť aj v našich podmienkach. Samozrejme,
človek sa musí nesmierne snažiť a musí mať aj trochu šťastia.
Jednou z ciest, ako byť úspešný, je participovať na projektoch,
ktoré sú financované zo zdrojov mimo Slovenska. Nie
je to jednoduché, neraz sa treba prispôsobiť požiadavkám
toho, kto projekt financuje.
Ťažko budem tvrdiť, že môj výskum je zaujímavý,
keď oň nikto nemá záujem. Tu treba urobiť istý kompromis
– preorientovať sa na výskum, na ktorý sú k
dispozícii finančné zdroje. Súčasne je veľmi dôležité
byť aktívny pri formulovaní priorít výskumu.
Predovšetkým pri formulovaní európskej vednej politiky
by sme sa mali viac presadzovať.
Nie je to jednoduché, ale nemáme na výber. Je
zrejmé, že v oblasti vednej politiky musíme byť oveľa aktívnejší.
Musíme jasne formulovať priority výskumu, zabezpečiť rozumné
financovanie z domácich zdrojov a vytvoriť priaznivé podmienky
na získavanie prostriedkov zo zahraničia, predovšetkým zo
zdrojov EÚ. Musíme si uvedomiť, že výskum, ktorý
sme schopní na Slovensku robi, je dostatočne zaujímavý
a konkurencieschopný.
IW: To však vyžaduje, aby vedec vedel súčasne robiť aj
osvetu na získavanie prostriedkov na presadzovanie svojich programov,
bol súčasne aj manažérom, aby vedel tie prostriedky rozdeliť
a spravovať.
Toto je dosť problém. Obrazne povedané, dnes je vedec
nielen scenáristom, ale aj režisérom, hercom, sám
obsluhuje prepadlisko, oponu, robí si hudobný sprievod...
IW: A nakoniec si musí aj zatlieskať...
(Smiech...) Naozaj je neuveriteľné, koľko profesií
dnes vedci musia zvládnuť. Okrem tej svojej vedy musí byť
vedec schopný zaujímavo spísať výsledky svojej
práce, musí vedieť pripraviť pútavú prednášku,
musí ju vedieť prezentovať, musí ovládať cudzie jazyky,
musí byť schopný pripraviť výskumný projekt
a následne ho manažovať. Nesmie sa zľaknúť bruselskej byrokracie.
Niekedy je to zábava, niekedy je to únavné, ale je
isté, že je to nevyhnutné.
IW: Určite by vám pomohlo, keby túto vedľajšiu
činnosť robila za vás nejaká agentúra.
Skôr či neskôr sa takéto agentúry nájdu.
Zatiaľ veľmi pozitívne hodnotím fakt, že na Slovensku vznikla
Agentúra pre vedu a techniku. Pomaly sa vytvára štandardné
zázemie výskumnej práce. Bezradnosť počiatku deväťdesiatych
rokov je už za nami. Stále však treba mnohé spraviť.
IW: A teraz prejdime tak trochu k filozofickým témam.
Skúsme vysloviť názor, či je možné zvonka ovplyvňovať
vedu, či možno ľudské poznanie nejakým spôsobom obmedzovať
a brzdiť.
Ak existuje možnosť niečo spraviť či objaviť, niekto to určite spraví
a objaví. Preto si myslím, že zákazy vo výskume
sú naivné. Skôr je veľmi dôležité
aby aplikácie poznatkov podliehali jasne formulovaným etickým
princípom a aby sa vytvorili účinné mechanizmy na
kontrolu využitia poznatkov vedy. Poznanie ľudstvo obohacuje. Zneužitie
poznania však môže predstavovať vážnu hrozbu. Typickým
príkladom je výskum v oblasti atómovej fyziky, ktorý
na jednej strane vyústil do konštrukcie a použitia atómových
zbraní. Na druhej strane výskum štruktúry atómu
inicioval závratné zmeny v našom poznaní sveta, vedúce
k formulovaniu kvantovej teórie, ktorá je asi najväčším
intelektuálnym počinom ľudstva. Mimochodom, veľmi nepriamym, ale
predsa len produktom aktivít fyzikov je aj vznik world-wide-webu,
teda internetu v tej forme, ako ho dnes poznáme. Tim Berners-Lee pracoval
v CERN-e (Európskom centre pre jadrový výskum), kde sa
snažil vytvoriť vhodné užívateľské prostredie pre fyzikov,
ktorí spracúvali experimentálne dáta. A opäť
si môžeme položiť otázku, či je táto nová forma
prístupu k informáciám dobrá alebo zlá.
Je veľa ľudí, ktorí vám povedia, že internet neobohacuje
ľudstvo, naopak, prispieva k istej degenerácii. Ale je tu, vznikol
a treba vymyslieť pravidlá, aby sme sa vyhli prípadným
negatívnym dôsledkom.
IW: Myslíte, že možno implementovať známe Asimovove
tri zákony robotiky do rôznych oblastí, napr. aj do
genetiky, do klonovania, bezpečnostných sledovacích systémov?
Neviem, či je to možné, ale musíme sa o to aspoň snažiť.
Pokiaľ to viem posúdiť, tie tri zákony vytvárajú
predpoklady na to, aby sa ľudstvo nestalo otrokom výtvorov svojich
intelektuálnych aktivít. Či sa to podarí, neviem.
Výskum a hľadanie nových poznatkov je hra s otvoreným
koncom. Neviem, či nedoplatíme na vlastnú zvedavosť. Nie
je to vylúčené. Preto musíme dbať na to, aby sme neredukovali
naše aktivity iba na intelektuálne dobrodružstvo. Život je aj o
čomsi inom.
IW: Ďakujem pekne za rozhovor.
Za Infoware sa zhováral Martin Drobný
Prof. RNDr. Vladimír Bužek, DrSc. (1957) vedie Centrum
pre výskum kvantovej informácie pri Fyzikálnom ústave
SAV. Zaoberá sa opisom programovateľných kvantových
procesorov a analýzou fyzikálnych systémov vhodných
na spracovanie informácie. Je spoluautorom množstva prác
z kvantovej fyziky, ktoré majú charakter vedeckých
objavov. Dvakrát ho vyhlásili za vedca roka v SR. Je emeritným
profesorom na Národnej írskej univerzite v Maynooth a profesorom
Masarykovej univerzity v Brne. Ako hosťujúci profesor pôsobil
na univerzitách v Anglicku, Japonsku, Južnej Kórei, Austrálii,
Čile a USA.