Piękne umysły

Piękne umysły

Noble naukowe 2012 rozdane. Tego z fizyki otrzymali Serge Haroche i David J. Wineland, naukowcy, dzięki którym od dziś tematem przy kawie będą superszybkie komputery kwantowe.
No dobrze, gorączkowych, ekscytujących rozmów o komputerach kwantowych chyba na większą skalę nie będzie. Tak miałyby się rzeczy w doskonałym świecie, gdzie wszyscy interesują się wszystkim. Ale w świecie rzeczywistym jest inaczej. Na co dzień nie interesujemy się perspektywą budowania komputerów tak potężnych, że aż zdolnych do symulowania samoświadomych, rozumnych bytów – sztucznych inteligencji. A przecież komputery kwantowe mogą nam to umożliwić.

Na pewno chcecie chociaż wiedzieć, co to jest komputer kwantowy (szczerze mówiąc, my też). I czego takiego dokonali w związku z tym Haroche i Wineland, że Komitet Noblowski postanowił obdarować ich kwotą 8 mln koron szwedzkich (ponad 920 tys. euro) – do podziału na dwóch.

Zacznijmy od podstaw – co to jest kwant? To najmniejsza porcja energii, którą przekazują sobie cząsteczki na poziomie atomowym. Czyli co? Ciężko to wyrazić, bo nasze zmysły odbierają świat tylko w skali średniej: ta gazeta, to biurko, tamte chmury na niebie. Gołym okiem nie mamy wglądu ani w świat bardzo wielki, ani bardzo mały. Gdy naukowcy opowiadają o gwiazdach tak olbrzymich i ciężkich, że zaginają światło – gubimy się. W końcu światło w lodówce wcale się nie zagina. Na jeszcze dziwniejszych zasadach funkcjonuje świat w skali pojedynczych atomów. Tam prawa rządzące światem wieloatomowym nie obowiązują – fizycy wiedzą to już od dawna. Opis reguł tradycyjnej fizyki w mikroskali kwantowej jest równie sprzeczny z naszą zdroworozsądkową intuicją, co opowieść z „Alicji w Krainie Czarów”. Stany kwantowe zadziwiają. Gdyby ten egzemplarz „Wprost” istniał w skali kwantowej, to drżałby i migotał; byłby trochę w naszych rękach, ale też trochę gdzieś indziej. W tym samym czasie. A to jabłko byłoby czerwone dla was, ale zielone dla kogo innego – w tym samym momencie. Tak dzieje się z niektórymi cząstkami – mogą być po trochu w dwóch stanach równocześnie. Z kolei fotony, cząstki światła, mogą zmierzać równocześnie w dwóch kierunkach.

Tak, to prawda, boli od tego głowa. Ale czy nie warto takich fenomenów badać? Tylko jak?
Elektrony do więzienia!

Najpierw zbadajmy fizyczne właściwości egzemplarza „Wprost”. Łapiemy i obracamy w dłoniach, a czasopismo pozostaje czasopismem. Proste. Ale jak tu złapać i poobracać pojedynczy elektron, który nie dość, że niezmiernie mały, to jeszcze jest „lepki” – po wyjęciu z chmury sobie podobnych wchodzi w interakcję ze wszystkim wokół, a przez to traci „magiczne” właściwości? Jego stan ulega dekoherencji i się zaciera.

I tu do gry wchodzą tegoroczni nobliści. Haroche i Wineland stworzyli pułapki, które pozwalają uwięzić cząstki, tak aby się nie lepiły i nie traciły swoich stanów. Przyznacie, że to całkiem zasłużony Nobel. Wreszcie dość bajek i teorii o stanach kwantowych. Można je wziąć na warsztat i badać.

Obaj naukowcy zajmowali się optyką kwantową – badali zachowanie światła i materii. Opracowali pułapki podobnymi metodami: jeden strzelał atomami w światło, a drugi światłem w atomy. Wineland tworzył pułapki, w których zamykał naładowane atomy, jony. Potem traktował je promieniami światła (lasera), żeby sprawdzić, jak się zachowają. Z kolei Haroche w pułapce zamykał fotony, a potem traktował je atomami.

Obaj umożliwili nauce kontrolę nad tymi niesfornymi cząstkami, które mogą być w kilku miejscach równocześnie. Dzięki nim stan kwantowy trwa i się nie zaciera. Dlatego można nim manipulować. Już niedługo zaprzęgniemy szalone zjawiska kwantowe (patrz obok) do służby człowiekowi.

Kwantowa pogodynka?

Piszemy te słowa na tradycyjnym komputerze, który po kolei przepisuje nasze akcje na skomplikowane ciągi zer i jedynek. Krok po kroku, operacja po operacji, jednym ciągiem. Dość tego. Dzięki tegorocznym noblistom komputer naszych wnuków będzie liczył nieskończoną liczbą kanałów, miliardami równoczesnych ciągów zer i jedynek, na stanach kwantowych. Świat dramatycznie przyspieszy. Skomplikowane prognozy i symulacje, wymagające nieosiągalnej dziś mocy obliczeniowej, staną się faktem.

Czy wiecie na przykład, dlaczego długoterminowe prognozy pogody dziś się rzadko sprawdzają? Bo komputery, które mamy, są zbyt słabe. Do stworzenia dokładnej prognozy na za pół roku trzeba by niestety ponad pół roku. Kiedyś jednak rewelacje pogodynek będą sprawdzać się w stu procentach. Komputery kwantowe w krótkim czasie porównają dzisiejsze regularności aury z tymi sprzed stu lat i określą, czy w Boże Narodzenie za dziesięć lat spadnie śnieg oraz gdzie za trzy lata będzie trzęsienie Ziemi. Będą w stanie porównać oraz interpretować ogromne oceany danych. Najszybsza wyszukiwarka Google wyda się żałosnym przeżytkiem, powstaną nowe związki chemiczne i leki, a wprawny haker w kilka sekund złamie najdłuższe i najcięższe hasło, z którym dzisiaj za pomocą najlepszego komputera zmagałby się 20 lat. Czy mamy się z czego cieszyć?

– Jeszcze nie teraz – studzi optymizm dr Marek Suwara, elektronik i filozof z Uniwersytetu Jagiellońskiego. – Kwanty to bardzo delikatne obiekty. Najdrobniejsze zaburzenie możne zniszczyć zapis. Stabilne układy kwantowe są na razie w fazie badań. Komputery kwantowe długo będą zbyt kosztowne, by stanąć na naszych biurkach. Do tego jeszcze długa droga. Najszybciej będzie wykorzystywać je wojsko potrzebujące ogromnej mocy obliczeniowej do przetwarzania danych. A zwykli ludzie? – Nawet nie będą zdawać sobie sprawy, że gdzieś tam komputer kwantowy oblicza przyszłość – mówi Suwara. – Guzik nas to przecież obchodzi.

Jak to możliwe? – Żeby poprawnie użyć własnego mózgu, nie musimy wiedzieć, jak działa. Tak samo jest z komputerem – podsumowuje Suwara.

Nieograniczony potencjał komórek

Tyle fizyki. Nagrodą Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii podzielili się w tym roku John Gurdon z Wielkiej Brytanii oraz Shinya Yamanaka z Japonii. I był to werdykt ze wszech miar uzasadniony. Dzięki badaniom tych naukowców wiemy dziś, że komórki mogą się cofnąć w rozwoju fizjologicznym do fazy niedojrzałej, dającej im możliwość przekształcenia się w dowolne komórki i tkanki. Naukowcy, z typową dla siebie ostrożnością, unikają wielkich słów, ale my możemy pozwolić sobie na danie upustu nadziei: to najprostsza ze znanych nam dzisiaj droga do Graala medycyny. Szansy na wieczną młodość i zdrowie. To nie wydarzy się jutro, ale po drodze, dzięki cofaniu biologicznego zegara komórek i zmuszaniu ich do przekształcania się w takie komórki, jakie chcemy, nauczymy się rzeczy jeszcze wczoraj niewyobrażalnych. Prawdziwych cudów. Twoja tkanka mózgowa powstanie z twojej własnej skóry. Sparaliżowani z powodu przerwania rdzenia kręgowego być może będą mogli znów chodzić – gdy wyhodujemy komórki nerwowe, które odtworzą zerwane połączenie. Osoby z chorym sercem lub wątrobą czekające na przeszczep zyskają szansę na nowy organ zbudowany na bazie ich własnych komórek macierzystych.

Johna Gurdona Komitet Noblowski docenił za eksperyment z 1962 r. Uczony zastąpił jądro w komórce żaby innym jądrem, pobranym z komórki kijanki. Z tak spreparowanej komórki rozwinęła się kijanka, a z niej żaba. Brytyjski profesor udowodnił w ten sposób swoją bardzo kontrowersyjną w tamtym czasie tezę, że każda komórka dysponuje kodem genetycznym wystarczającym do przekształcenia jej w dowolną inną komórkę.

Z kolei Shinya Yamanaka dowiódł, że można sterować rozwojem komórek bez tak radykalnych działań jak transplantacja jądra, a potrzebne medycynie komórki macierzyste (zdolne przekształcić się w dowolną komórkę) możemy pozyskiwać nie tylko z zarodków, zabijając je – co z powodów etycznych byłoby nie do przyjęcia. Japoński profesor, o czym poinformował oficjalnie w 2006 r., wprowadził do pobranych od myszy komórek skóry geny Oct/4, Sox2, c-Myc i Klf4, które wkrótce nazwano genami młodości. Cofnęły bowiem „stare”, wykształcone komórki do fazy niczym nieograniczonego potencjału – czyli komórek macierzystych. Mogą one, czego Shinya Yamanaka dowiódł w kolejnych eksperymentach, ewoluować choćby w tkankę nerwową lub serca.

„Polskie” Noble z chemii

Niestety, znów żadnej Nagrody Nobla nie odebrał w tym roku Polak, choć od lat liczymy na uhonorowanie prof. Aleksandra Wolszczana za odkrycie pierwszego pozasłonecznego układu planetarnego, w konstelacji Panny. Ale na pocieszenie została nam polska krew w żyłach tegorocznych noblistów z chemii, Amerykanów Roberta Lefkowitza z Howard Hughes Medical Institute i Briana Kobilki ze Stanford University School of Medicine. Obaj zostali nagrodzeni za badania nad receptorami sprzężonymi z białkami G, które przyczyniły się do powstania wielu leków. Lefkowitz jest wnukiem polskich Żydów, którzy opuścili nasz kraj u schyłku XIX w. Z rodziny polskich imigrantów wywodzi się też Kobilka: jego dziadek i ojciec byli piekarzami. On wybrał inaczej – i zrobił karierę naukową. Dlaczego nie w Polsce?
Okładka tygodnika WPROST: 42/2012
Więcej możesz przeczytać w 42/2012 wydaniu tygodnika „Wprost”
Zamów w prenumeracie lub w wersji elektronicznej:

Czytaj także

 0