Bez wątpienia nowy wiek jasno określa kierunki rozwoju nauki, które mają zapewnić człowiekowi życie w większym komforcie, z szybkim dostępem, i to za mniejsze pieniądze, do wszystkich nowości technicznych, ale też z myślą o szacunku do planety, na której żyjemy. A jaką wykażemy się kulturą konsumpcji, pokaże czas i oceni historia.

Dziś każdy się spieszy. Chcemy szybko się przenosić na drugi koniec świata i prawie natychmiast oczekujemy też informacji o wydarzeniach rozgrywających się setki kilometrów od nas. Biznes i polityka żądają od nauki rozwiązań, które poradzą sobie z dużym przepływem ciągle rosnących przekazów. Pomysłów na rozwiązanie tego problemu jest wiele. Jednym z nich, nagrodzonym przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej, jest opracowanie prof. Andrzeja Jajszczyka z krakowskiej Akademii Górniczo−Hutniczej.

Teoria węzłów

Zaszczytne wyróżnienie, nazywane polskim Noblem, profesor otrzymał za badania w zakresie teorii węzłów szybkich sieci telekomunikacyjnych, stanowiących podstawę budowy Internetu nowej generacji. I tu dochodzimy do sedna sprawy, bowiem to właśnie Internet, uznany za cud XX wieku, stanowi swoistą sieć szybkich dróg informacyjnych krzyżujących się ze sobą. Gdyby porównać je do autostrad, dróg szybkiego ruchu czy sieci lokalnych połączeń wraz z samochodami, to dostaniemy mapę pokrytą bardzo gęstą siatką. W natłoku aut ważne jest: opanowanie płynności ruchu, rozładowywanie tworzących się korków, bezkolizyjne usuwanie zaistniałych awarii, jak również najlepsze wykorzystanie sieci, po której odbywa się ruch. Podobnie jest w Internecie.

Specjaliści od ruchu drogowego od lat łamią sobie głowy nad opracowaniem bezkolizyjnych skrzyżowań zwiększających przepustowość i bezpieczeństwo. W informatyce jest tak samo. Opracowania prof. Jajszczyka przypominają tworzenie określonych pakietów kierowanych światłowodami do specjalnych węzłów internetowych umiejących radzić sobie z rozładowaniem „ścisku” informacyjnego. Tam znajdują się specjalne systemy zabezpieczające, które wiedzą, jak zmniejszyć tłok nagromadzonej informacji i jak przekierować go przez węzeł na inną ścieżkę. Zabieg ten musi być dokonany w czasie mniejszym niż 50 milisekund (przypomnijmy – jedna milisekunda to tylko jedna tysięczna sekundy). Jeśli zator nie zostanie usunięty w tym czasie, dochodzi do blokady, a my, pracując np. przy komputerze, nie możemy otworzyć potrzebnej nam strony czy przesłać istotnej informacji.

O istocie problemu niech świadczy fakt, że na sterowaniu elektronicznym oparty jest dziś cały świat. Sterowanie komunikacją powietrzną i kolejową, systemami energetycznymi czy bezpieczeństwem kraju opiera się na sprawnym działaniu przesyłu informacji. Współczesne węzły internetowe pracują o wiele szybciej niż jeszcze kilka lat temu, ale każda możliwość przyspieszenia ich przepustowości to walka z czasem w przesyle informacji oraz możliwość zarobienia większych pieniędzy. Stąd tak wielkie oczekiwania wobec wybitnych pracowni informatycznych i ogromne wyzwania stojące przed naukowcami.

Dlatego też prof. Jajszczyk konstruuje układy elektroniczne, które coraz wydajniej podnoszą przepustowość sieci i zwiększają jej niezawodność. Na swoim koncie profesor ma już 19 patentów dotyczących struktur komutacyjnych, m.in. w USA, Francji, Niemczech i Wielkiej Brytanii. Głównym pytaniem jest, jak bezpiecznie łączyć i przyłączać do struktur węzła coraz to nowe drogi przekazu, tym bardziej że przekazujemy już nie tylko tekst, ale obraz czy głos i dlatego konieczna jest szybka rozbudowa Internetu. Takie określenia, jak pola czy algorytm Jajszczyka, wpisały się w codzienną praktykę informatyczną, określają one bowiem, jak zbudować wielkie węzły internetowe i jak przez te pola przeprowadzać informacje, aby nic się nie zablokowało. Sztuką też jest opracowanie skomplikowanego systemu zarządzania taką siecią.

Idąc dalej można się zastanowić, jakie jeszcze zastosowania znajdziemy dla tak doskonałego narzędzia, jak Internet? Tu z pomocą przychodzi fizyka, która daje odpowiedź na pytania dotyczące zagwarantowania bezpieczeństwa przesyłanych informacji, a w szczególności tych utajnionych czy kodowanych.

Fundacja na rzecz Nauki Polskiej uhonorowała w tym roku prof. Ryszarda Horodeckiego, fizyka z Uniwersytetu Gdańskiego, za wkład w stworzenie podstaw informatyki kwantowej, a w szczególności za wypracowanie podstaw praktycznej detekcji kwantowego splątania i odkrycie splątania związanego – „czarnych dziur” w kwantowej teorii informacji.

splątanie kwantowe

Uznaje się, że fizyka kwantowa jest jednym z fenomenów współczesnej fizyki. Jej zrozumienie wymaga nie lada wysiłku i wiedzy. Definicja zwięźle określa zakres zagadnienia: to dziedzina leżąca na pograniczu informatyki i mechaniki kwantowej, zajmująca się wykorzystaniem możliwości układów kwantowych do przesyłania i obróbki informacji kwantowej. Podstawową jednostką obliczeniową wykorzystywaną w informatyce kwantowej jest kubit. Obliczenia kwantowe opisywane są za pomocą bramek kwantowych. W naturze istnieją zapisy kwantowe i całe księgi kwantowe. Wiemy też, że kwantu nie da się skopiować, co gwarantuje, że i informatyka kwantowa pozostaje polem nie do skopiowania. Ale to tylko jedna z twarzy kryptografii kwantowej.

Prawdziwa przygoda z fizyką zaczyna się w obszarze tzw. splątania kwantowego. Zjawisko to, którym zajmuje się prof. Horodecki, dotyczy najmniejszych cząstek materii i najmniejszych porcji energii. Dla ich opisu stworzono mechanikę kwantową. Wchodzimy tu w obszar, który łamie dotychczasowy porządek świata. Bo jak zrozumieć zachowanie dwóch oddzielonych od siebie obiektów, które wchodzą w natychmiastowy kontakt między sobą, mimo że odległość między nimi jest ogromna. Mogłoby się wydawać, że cząstki te są daleko od siebie, że się nie widzą, a więc i korelacje między nimi są żadne. Prawda jest jednak inna – widzą się i oddziałują na siebie. Na dodatek cząstki kwantowo splątane nie potrzebują czasu na przekazanie sobie informacji. Ten tajemniczy stan dwóch lub więcej cząstek określamy właśnie mianem splątania.

Dlaczego tak jest? Na to pytanie odpowiedź jest niezwykle trudna, a nawet na dzisiejszym poziomie nauki niemożliwa.

Okazuje się, że wiedza o kwantowym splątaniu znajduje praktyczne wykorzystanie. Można z niej zbudować klucz do szyfrów strzegących bezpieczeństwa przesyłanych informacji. Wystarczy tylko tak zbudować przekaz, aby na jego początku i końcu znalazły się splątane kwantowo cząstki. Każda próba włamania się do zakodowanej informacji skutkuje wtedy zniszczeniem zakodowanej treści. Zniszczone zostaje bowiem łączące je splątanie, a to powoduje natychmiastowe powiadomienie nadawcy i odbiorcy przesyłanych treści o istniejącym zagrożeniu. Laureat tegorocznej Nagrody FNP należy do wąskiego grona światowych fizyków i informatyków, którzy stworzyli i obecnie rozwijają teoretyczne podstawy nowej dziedziny wiedzy, jaką jest informatyka kwantowa. Łączy ona wyzwania teoretyczne i koncepcyjne z fizyki, matematyki i informatyki.

Prof. Horodecki, wraz z synami Pawłem, Michałem i Karolem, a także we współpracy z prof. Robertem Alickim i prof. Markiem Żukowskim, stworzył w Gdańsku ośrodek informatyki kwantowej, który stał się światowym centrum badań w tej dziedzinie. Imponujący dorobek szkoły prof. Horodeckiego podsumowuje monumentalna praca Quantum entanglement, którą drukuje najbardziej prestiżowe czasopismo podsumowujące dokonania fizyki – „Reviews of Modern Physics”.

liście i ekologia

Wśród tegorocznych laureatów Nagrody FNP znalazł się też przedstawiciel nauk biologicznych, prof. Jacek Oleksyn z Instytutu Dendrologii PAN, wyróżniony za wkład w odkrycie uniwersalnych biogeograficznych zależności między cechami roślin, istotnych dla zrozumienia procesów ekologicznych w skali globalnej. Szczególnie docenione zostały badania w zakresie ekofizjologii roślin, które doprowadziły do stworzenia globalnego opisu kluczowych cech liści (chemicznych, strukturalnych i fizjologicznych). Pozwoliły one na wykazanie zależności między sposobem gospodarowania przez rośliny pierwiastkami a ich geograficzną lokalizacją oraz opisanie uniwersalnej zależności między zawartością azotu a metabolizmem oddechowym roślin. Opublikowane w trzech tekstach w „Nature” i „Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America” koncepcje na temat biogeograficznych, strukturalnych i chemicznych uwarunkowań podstawowych procesów fizjologicznych wywarły znaczący wpływ na modelowanie procesów ekologicznych.

Badania prof. Oleksyna, prowadzone w wielonarodowym zespole naukowców z różnych kontynentów, są oparte na bardzo obszernym materiale, który obejmuje ponad 1% wszystkich roślin naczyniowych z kilkuset stanowisk na całym świecie.

Polski renesans

W tegorocznych nagrodach Fundacji nie zabrakło humanistyki. Prof. Stanisława Mossakowskiego, przewodniczącego Wydziału Nauk Społecznych PAN, wyróżniono za wszechstronną, interdyscyplinarną monografię dotyczącą kaplicy Zygmuntowskiej, czołowego zabytku sztuki polskiego i włoskiego renesansu.

Badania nad kaplicą Zygmuntowską uczony prowadził przeszło 30 lat. Dla polskiej kultury jest ona niezwykle ważna, bo zapoczątkowuje kulturę renesansową w naszym kraju, otwiera również italianizm. Po kaplicy Zygmuntowskiej powstało w Polsce już ponad 200 kaplic na planie kwadratu z kopułą u zwieńczenia. Kaplica Zygmuntowska powstała w latach 1517−33 i jest jednym z ważniejszych dzieł renesansowych w Polsce. Warto wspomnieć, że nie ma we Włoszech kaplic o tak bogatej formie rzeźbiarskiej. Autorem projektu jest B. Berrecci, który mieszkał i miał swój warsztat na krakowskim Kazimierzu.

Z kaplicą Zygmuntowską związane są też fakty nadające się na scenariusz filmu kryminalnego. Otóż w 1536 r. część Zamku Wawelskiego spłonęła, a Berrecciego wezwano do odbudowy i do dokończenia kaplicy. Tym samym został monopolistą finansowym i głównym wykonawcą tej ogromnej budowli. Zazdrość ludzka nie znosiła tak wielkiego wyróżnienia i być może dlatego Berrecci zginął w tajemniczych okolicznościach.

Dekoracje kaplicy Zygmuntowskiej wykazują ogromną znajomość plastyki rzymskiej. Ciekawą rzeczą jest to, że w kaplicy w przekroju kopuły pojawia się elipsa poprawna matematycznie, co uznawane jest za ewenement w skali architektury europejskiej. Tak poprawny model elipsy znany jest tylko z drewnianego modelu kaplicy Watykańskiej, ale jego datowanie jest o kilka lat późniejsze niż kaplicy Zygmuntowskiej. Podjęty przez prof. Mossakowskiego wysiłek przedstawienia niezwykle dokładnej weryfikacji stanu dotychczasowej wiedzy oraz odkrycie nowych faktów umożliwiły zaproponowanie nowej interpretacji wiedzy o całej kaplicy.