Znanost zelo težko tekmuje s šolami, vrtci in športniki

Italijanski fizik Carlo Rovelli je pred približno dvema letoma napisal serijo poljudnih člankov za nedeljsko prilogo časopisa Sole 24 ore. Prispevke je nato razširil in jih objavil v knjižici Sedem kratkih lekcij iz fizike, ki je nedavno izšla v slovenskem prevodu (Društvo matematikov, fizikov in astronomov, 2016, prevod Alojz Kodre).

Kratke lekcije so postale poljudnoznanstvena uspešnica, saj je poskusil Rovelli tudi laičnemu bralcu približati fizikalna spoznanja, ki so v zadnjem stoletju popolnoma spremenila naše razumevanje vesolja, fizičnega sveta, časa in resničnosti. Prvo poglavje je namenil »najlepši vseh teorij« – Einsteinovi splošni teoriji relativnosti –, v drugem pa je opisal nenavaden svet kvantnih pojavov, brez katerih ne bi razvili nekaterih ključnih tehnologij dvajsetega stoletja: tranzistorja, televizorja, mobilnega telefona, računalnika, laserja, satelitske navigacije in magnetne resonance.

Navdušenje in razumevanje, ki ga Rovelli vzbuja z opisom kvantnega sveta, bi zelo koristilo uradnikom na ministrstvu za izobraževanje, znanost in šport (MIZS), je prepričan Dragan Mihailović, vodja odseka za kompleksne snovi na Institutu Jožef Stefan. Mihailović je konec maja skupaj s soavtorji objavil članek v Sobotni prilogi Dela, v katerem so opisali velike možnosti razvoja kvantnih tehnologij in opozorili, da se Slovenija zaradi strokovno netransparentnega načina odločanja ministrstva ni pridružila oblikovanju največjega (milijardnega) evropskega raziskovalnega projekta na tem področju. Kljub temu da bodo kvantne tehnologije že kmalu ločile razvite države od nerazvitih in močno vplivale na kakovost življenja.

Med pogovorom je kazalo, da Slovenija pri kvantni revoluciji ne bo sodelovala. Tik pred objavo pa je sogovornik sporočil, da se je država le pridružila projektu Quantera. Verjetno tudi zato, ker so znanstveniki javno spregovorili o pomenu razvoja v sodobnem svetu.

Avstrijski fizik Erwin Schrödinger je kvantno mehaniko opisal z miselnim eksperimentom, v katerem je nastopala njegova mačka. Ta je bila zaprta v zapečateni škatli in znanstvenik je pojasnil, da je lahko ta mačka hkrati mrtva in živa. A le, dokler ne odpremo škatle.

Ker v tistem trenutku prevzame samo eno stanje: mrtvo ali živo (nasmešek). Kvantno mehaniko je mogoče ponazoriti s številnimi podobnimi navideznimi paradoksi in nenavadnimi primerami. Ampak bo verjetno laže, če rečeva, da s kvantno teorijo opisujemo pojave in zakonitosti, ki veljajo v svetu delcev, iz katerih so sestavljeni atomi. Evropski kvantni manifest pa opisuje predvsem nove tehnologije, ki jih bo prinesla kvantna revolucija.

V nedavnem članku za Sobotno prilogo Dela ste zapisali, da bodo kvantne tehnologije najmanj enako pomembne, kot sta bili iznajdbi tranzistorja in interneta. Je to realno pričakovanje ali retorika, ki jo radi uporabljajo avtorji evropskih strategij?

Pri tem sem zgolj citiral Google. Menim, da je to pričakovanje zelo realno, vendar so podrobnosti težko napovedljive. Prva kvantna revolucija nam je v dvajsetem stoletju omogočila razvoj številnih inovacij, brez katerih si ne moremo predstavljati informacijskih in komunikacijskih tehnologij, sodobne medicinske diagnostike ali raziskovanja vesolja. S teorijami kvantne mehanike znamo razložiti in načrtovati tranzistorje, laserje, snemanje z magnetno resonanco ali delovanje satelitskega navigacijskega sistema gps. Zdaj pa vstopamo v drugo kvantno revolucijo, kjer bomo znali kvantne pojave tudi bistveno bolj neposredno uporabljati.

In izdelovati kvantne naprave?

To je glavni cilj evropske kvantne strategije: razviti nove generacije kvantnih naprav – kvantna tipala, kvantne simulatorje, kvantno komunikacijo, kvantno kriptografijo, kvantne računalnike … S kvantnimi tipali bomo lahko izjemno natančno merili fizikalne količine in zajemali podatke, ki jih s klasičnimi tipali ne moremo, denimo pospešek, rotacijo, gravitacijo in magnetno polje v atomih.

Te podatke pa bomo preračunavali s kvantnimi računalniki?

S kvantnimi računalniki bomo lahko izračunavali kvantne probleme, ki so za sedanje elektronske računalnike preveč kompleksni. V naravi vse deluje po kvantnih načelih kvantne mehanike, ki jih ne moremo napovedovati s klasičnimi računalniki. Znameniti ameriški fizik Richard Feynman je leta 1982 dokazal, da kvantnih problemov preprosto ni možno rešiti s klasičnimi računalniki, ne glede na zmogljivost. Le s kvantnimi računalniki bomo lahko izračunavali kvantne probleme.

Kakšne kvantne probleme pa hočemo izračunati?

Narava ne potrebuje superračunalnika, s katerim bi sto let računala, kako se bo neka molekula prilagodila drugi molekuli v živi celici, ker to počne na kvantni ravni. Dober primer je raziskovanje novih zdravil in terapij na molekularni ravni. Če bomo hoteli programirati beljakovino, ki se bo načrtovano ovila okrog dnk, bomo potrebovali kvantne računalnike in kvantne algoritme. Danes si takšne zelo približne biokemične izračune lahko privoščijo samo največje raziskovalne ustanove in farmacevtska podjetja, a so tudi najmočnejši superračunalniki zelo omejeni pri reševanju kvantnih problemov. Toda kvantni računalniki ne bodo zanimivi samo za računanje kvantnih sistemov. Z njimi je mogoče zelo učinkovito razbijati šifre, ki jih uporabljamo za varovanje elektronskih komunikacij in trgovine.

Zakaj je kvantni računalnik tako učinkovit pri razbijanju šifer?

Vsi sedanji šifrirni algoritmi temeljijo na matematični zaščiti. Z dovolj močnim ključem – trenutno za pomembne informacije uporabljamo 2048-bitno šifriranje – lahko ustvarimo toliko različnih kombinacij, da bi jih najmočnejši računalniki računali milijardo let. Če se takšnega ključa lotimo s kvantnim računalnikom, ga bi po navedbi varnostnih strokovnjakov zlomili v samo stotih sekundah. To pomeni, da bodo znali lastniki kvantnega računalnika v realnem času razbiti vse komunikacije, finančne transakcije, poslovne in državne skrivnosti, ki so zaklenjene s klasičnimi matematičnimi ključi. Verjetno si lahko predstavljate, kaj to pomeni za elektronsko varnost in zasebnost. Nobena bančna transakcija ne bi bila več varna.

Kar pomeni, da se je treba pred kvantnim napadom zavarovati s kvantno kriptografijo?

To je edina kriptografska metoda, ki je niti teoretično ni mogoče zlomiti, ker bi morali prekršiti zakone kvantne mehanike. Danes že lahko kupimo komercialne sisteme za kvantno šifriranje in komuniciranje prek satelitov, ki so jih za svoje varnostne potrebe razvile velesile. To spet pomeni, da bodo države s kvantnimi tehnologijami pridobile veliko prednosti pred tistimi, ki jih ne bodo razvijale. Ne samo varnostno in strateško, temveč tudi gospodarsko. Kvantni računalniki bodo nepogrešljivi za natančnejše napovedovanje vremena in podnebnih sprememb, analizo in predvidevanje ekonomskih trendov, preprečevanje terorističnih napadov ter preračunavanje podatkov, ki jih bodo zajemale povezane naprave v internetu stvari. Pa tudi za programiranje kvantnih robotov, načrtovanje kvantnih možganov, razvoj umetne inteligence …

Kako kmalu bodo kvantni računalniki zamenjali klasične? Sedanji superračunalniki so še vedno precej zmogljivejši od kvantnih prototipov.

Kvantni računalniki so še na zelo zgodnji razvojni stopnji. Klasičen Turingov računalnik se nam zdi pameten in zmogljiv, ker tako hitro izvaja preproste operacije in računa zelo poenostavljene probleme. Vendar njihove hitrosti že nekaj časa ne znamo več pospeševati enako kot doslej – z zmanjševanjem tranzistorjev in navijanjem procesorske ure. Gostota tranzistorjev na silicijevi rezini je dosegla kritično mejo, ki je zaradi fizikalnih omejitev skoraj ni mogoče preseči, če računalnika ne ohladimo skoraj na absolutno ničlo. Inženirsko sicer obstajajo tudi druge možne rešitve – od superprevodnikov do trirazsežnega načrtovanja procesorjev –, a so kvantne tehnologije najbrž boljša razvojna pot.

Je kvantni računalnik teže izdelati ali ga programirati?

Izdelava kvantnega računalnika niti ni tako draga. Če hočete postaviti resno tovarno za izdelavo polprevodniških vezij, morate zbrati kakih 50 milijard dolarjev. Obrati za kvantno računalništvo stanejo samo nekaj deset milijonov, trenutno najbolj zmogljive kvantne čipe s tisoč elementi pa lahko kupite za približno nekaj več kot deset milijonov dolarjev. Večji izziv bo programiranje, saj za zdaj uporabljamo predvsem dva kvantna algoritma – enega za iskanje podatkov in drugega za razbijanje kriptografske zaščite. Vsa druga orodja bo treba šele razviti, zato velike softverske korporacije po vsem svetu iščejo kvantne programerje in izdatno financirajo raziskovalne laboratorije. Zelo dobro se zavedajo, koliko bodo vredni kvantni algoritmi. Vzemimo samo primer iskalnega algoritma, iz katerega je nastal Google. Njegova borzna cena podjetja je presegla sto milijard dolarjev, samo podjetje pa izhaja iz nekaj vrstic matematičnega algoritma, ki sta ga razvila njegova ustanovitelja Larry Page in Sergey Brin na Stanfordu. Podobno strateško razmišljajo tudi nekatere države.

Katere države vodijo pri razvoju kvantnih tehnologij?

Vsekakor velesile, a niso edine. Velika Britanija je namenila na milijone funtov samo za prenovo študijskih programov računalništva, da se bodo prihodnji inženirji in programerji čim prej spoznali s kvantnim računalništvom. Samo Kanada je v kvantne tehnologije vložila več kot milijardo dolarjev: zgradila novo univerzo ter ustanovila nove oddelke in inštitute. Ko govorim o vlaganjih, pa ne mislim samo na denar. Na youtubu si lahko pogledate posnetek kanadskega premiera Justina Trudeauxa, ki je govoril o pomembnosti kvantnih tehnologij in razlagal osnove kvantne mehanike. Na nedavni kvantni konferenci v Amsterdamu je nastopil nizozemski minister za gospodarstvo in prav tako povedal, zakaj bo država namenila več kot 200 milijonov evrov za kvantne programe. Takšni nagovori visokih politikov niso nepomembni, saj pokažejo, kakšne prioritete ima država. Če si postavi dovolj visoke cilje in podpre zanimive projekte, bo pritegnila najboljše možgane na svetu. V tem primeru uspeh ne more izostati.

Ali takšen pristop velja tudi za Slovenijo?

Je to retorično vprašanje?

Je to že retoričen odgovor?

Pravzaprav res (nasmešek). Na področju kvantnih tehnologij imamo vse običajne težave, ki pestijo celotno slovensko znanstveno politiko. Po eni strani se s kvantnimi raziskavami ukvarja nekaj zelo uspešnih skupin, ki imajo odmevne rezultate tudi v svetovnem merilu. Smo nosilci dveh projektov Evropskega raziskovalnega sveta na področju neravnovesnih kvantnih sistemov, slovensko je tudi eno izmed pionirskih del, ki je pomembno za razvoj kvantnega računalništva. Po drugi strani pa je Slovenija ena izmed redkih članic EU, ki ni vključena v oblikovanje programa kvantnih tehnologij – ambicioznega evropskega projekta, ki je vreden dobro milijardo evrov. Kar pomeni, da ne bomo mogli prijavljati programov in črpati denarja za kvantne raziskave.

Kako to?

Ne vem. Na ministrstvu za izobraževanje, znanost in šport niso nikoli utemeljili, zakaj Slovenija ne bo sodelovala v tem programu. Ponavadi je razlog denar, saj finančno ministrstvo ne odobri skoraj nikakršnega izdatka za znanost, ampak smo članarino v programu že plačali s članstvom v EU. Prav tako ne verjamem, da so uradniki na ministrstvu spregledali projekt, saj so bili z njim zagotovo seznanjeni. Očitno naši odgovorni menijo, da kvantne tehnologije niso dovolj pomembne, kar je v popolnem nasprotju z raziskovalnimi trendi po svetu. No, navsezadnje to ne velja samo za kvantne tehnologije, ampak tudi za druga nova in propulzivna področja znanosti.

Da znanost ni dovolj pomembna?

Če vas zanima, kako naša država razume znanost in razvoj, potrebujete samo tri podatke. Slovenija je v zadnjih petih letih zmanjšala financiranje znanosti za petindvajset odstotkov. Predsednik evropskega raziskovalnega sveta Jean-Pierre Bourguignon je povedal, da po financiranju znanosti sodimo med 13 držav na dnu evropske lestvice, ki vse skupaj za znanost namenijo manj denarja kot sosednja Avstrija – država, ki je med gospodarsko krizo še povečala delež proračuna za znanost. Davčna uprava pa raziskovalcem samovoljno ne omogoči davčne olajšave za prestižne raziskovalne štipendije, denimo Fulbrightove, čeprav bi jo po zakonu morala. Vse to ima številne negativne posledice, o katerih v slovenski družbi premalo govorimo.

Beg možganov?

Absolutno. Na žalost pa beg možganov prevečkrat obravnavamo anekdotično – kot zgodbe posameznikov, ki so iskali boljše razmere za delo in se uveljavili v tujini. Problem je namreč sistemski. Vzemimo raziskovalne projekte. Država jih razpisuje vedno manj. Za tiste, ki jih razpiše, pa lahko kandidiramo samo raziskovalci, ki smo dovolj stari, da imamo dovolj točk in drugih referenc. Srednja in mlajša generacija po sedanjih razpisnih merilih nimata možnosti, zato ne izgubljamo le posameznikov, ampak cele generacije. Poleg tega premalo poudarjamo, da številni inštituti in druge znanstvene ustanove živijo izključno od projektov. Če ni projektov, smo na cesti, kar se redno dogaja tudi na našem inštitutu. Pri nas smo morali zaradi pomanjkanja razpisov ukiniti cele oddelke, zato so raziskovalci poiskali delo v tujini in marsikdo se je poslovil za vedno. Pomanjkanje denarja pa ima še en prikrit učinek, ki zelo slabo vpliva na naše delo. Med znanstveniki in strokami tako rekoč ni več nekdanje solidarnosti, saj mora vsak poskrbeti zase.

Kateri ukrepi bi odpravili največ omenjenih težav? Več denarja?

Imamo dobre temelje, znanje in raziskovalce, zato slovenski znanstveniki dejansko potrebujemo predvsem stabilno financiranje na ravni konkurenčnih držav in jasna merila za merjenje učinkovitosti porabe javnega denarja. Drugi predlog bi bil nekakšen 'new deal' za izgubljene generacije raziskovalcev: sistematično ugotoviti, kdo vse je odšel v tujino, in pripraviti načrt, kako jih nekaj dobiti nazaj – kaj jim ponuditi, omogočiti ali zagotoviti, da bi se bili pripravljeni vrniti. Od prihodnjih vlad pričakujem, da bodo začele uresničevati strategije, ki so jih sprejele pretekle vlade, namesto da jih takoj pozabijo in sredi mandata obljubijo novo. Premisliti pa bi morali tudi o preoblikovanju ministrstva za izobraževanje, znanost in šport ter raje ustanoviti ministrstvo za znanost in tehnologijo.

Zakaj?

Ko začnejo ministri načrtovati razdelitev proračuna, je treba pripraviti zelo dobro strategijo, zakaj med vsemi drugimi področji podpreti prav znanost. A se bojim, da znanost na sedanjem ministrstvu zelo težko tekmuje s šolami, vrtci in športniki. Prej imam nasproten občutek – da je še najlaže zmanjšati izdatke za znanost, saj znanstveniki ne bomo stavkali in grozili s protesti. Vsak resorni minister se bo raje boril za področja, kjer je več denarja in političnih točk.

Bo znanost kdaj tudi v Sloveniji prinesla politične točke?

Pred dvema letoma smo v ugledni reviji Science objavili članek o pomembnih novih kvantnih stanjih. Mediji so to povzemali in neznani spletni komentator je zapisal nekaj takega: presnete barabe, za kakšne neumnosti tratijo naš denar. Saj vem, da je takšno stališče ekstremno in ga ne smem posplošiti na vse bralce. A je komentar kljub temu zelo zgovoren in ga – sicer z drugačnimi besedami – zelo pogosto slišim tudi od ljudi, ki bi morali bolje razumeti vlogo znanosti v sodobnih družbah. Mi raziskujemo neka kvantna stanja, reveži pa nimajo za jesti. Kako naj ljudem dopovemo, da bodo imeli reveži še manj za jesti, če ne bo razvoja? Brez tega ne bomo imeli ne za zdravstvo, ne za pokojnine, ne za vrtce in ne za kar koli drugega. Nizozemska vlada to zelo dobro razume, zato so za začetek predsedovanja EU zagnali evropsko kvantno strategijo. Upam, da se bomo začeli po njih končno zgledovati tudi pri nas.