Jak “uciszyć” atom? Fizycy rozwiązali 90-letnią zagadkę, co może odmienić komputery kwantowe

Fizycy z Uniwersytetu Vermont rozwiązali trwającą 90 lat zagadkę tłumionych oscylatorów kwantowych. Ich odkrycie może zrewolucjonizować budowę ultraprecyzyjnych komputerów kwantowych i sensorów.

Wyobraź sobie, iż szarpiesz strunę gitary. Drga ona głośno, ale z czasem jej dźwięk cichnie, a drgania ustają. Podobnie jest z huśtawką na placu zabaw – gdy z niej zejdziesz, będzie się bujać coraz wolniej, aż w końcu się zatrzyma. W naszym świecie to normalne – rzeczy tracą energię. Fizycy od dawna wiedzieli, jak to opisać. Ale co się dzieje, gdy zejdziemy do mikroskopijnego świata atomów? Tam panują zupełnie inne zasady. Przez 90 lat naukowcy nie potrafili stworzyć idealnego opisu dla takiego „wygasającego drgania” w świecie kwantowym. Aż do teraz.

Sedno tego problemu tkwiło w jednej z najbardziej osobliwych zasad fizyki kwantowej – zasadzie nieoznaczoności Heisenberga. Mówi ona, iż nie da się jednocześnie z idealną precyzją poznać położenia i pędu cząstki. To tak, jakbyś próbował znaleźć superszybką, piłeczkę pingpongową w ciemnym pokoju. Aby zobaczyć, gdzie dokładnie jest, musisz błysnąć na nią bardzo mocnym światłem. Ale ten błysk jest tak silny, iż popycha świetlówkę i zmienia to, jak gwałtownie i w jakim kierunku leci. Możesz więc idealnie poznać jej położenie, ale kosztem zepsucia informacji o jej ruchu. Największą trudnością było więc stworzenie spójnego modelu matematycznego, który opisywałby atom stopniowo tracący energię, a jednocześnie pozostawał w pełnej zgodzie z zasadą nieoznaczoności Heisenberga.

Fizycy z Uniwersytetu Vermont zrozumieli, iż nie można patrzeć na jeden atom w oderwaniu od reszty. To tak, jakbyś próbował zrozumieć ruch jednego tancerza na zatłoczonym parkiecie – jego ruchy zależą nie tylko od niego, ale też od tego, jak napierają na niego inni. Aby go zrozumieć, musisz uwzględnić cały tłum. Naukowcy zrobili to samo z atomem, a dzięki temu znaleźli matematyczny sposób na wejście w specjalny stan, nazywany „ściśniętą próżnią”. Wyobraź sobie, iż próbujesz usłyszeć bardzo cichy szept w pokoju pełnym głośnych rozmów (to „szum kwantowy”). „Ściśnięta próżnia” działa jak para najlepszych na świecie słuchawek z redukcją szumów – wycina cały hałas z tła, pozwalając ci usłyszeć szept z krystaliczną czystością.

Profesor Uniwersytetu Vermont, Dennis Clougherty (po prawej) i jego student Nam Dinh.

To właśnie ta umiejętność „wyciszania szumu” jest rewolucyjna dla komputerów kwantowych. Ich działanie opiera się na kubitach, czyli kwantowych bitach, które w przeciwieństwie do zwykłych, mogą być zerem oraz jedynką jednocześnie. To daje im gigantyczną moc obliczeniową, ale jest jeden haczyk: kubity są niezwykle delikatne. Ten „szept” kubitu, niosący informację, jest łatwo zagłuszany przez wszechobecny chaos w świecie atomów. To powoduje błędy w obliczeniach i jest największą przeszkodą w budowie potężnych komputerów kwantowych.

Dzięki mowej metodzie będzie można uzyskać:

• Większą stabilność kubitów: Będą one mniej podatne na błędy spowodowane losowymi fluktuacjami kwantowymi.
• Wyższą precyzję obliczeń: Mniejszy szum oznacza bardziej wiarygodne wyniki.
• Możliwość budowy większych komputerów: Stabilniejsze kubity łatwiej będzie ze sobą splątywać w większe, bardziej użyteczne systemy.

Podobna technika „ściskanej próżni” umożliwiła zbudowanie niezwykle czułych detektorów fal grawitacyjnych LIGO, za co w 2017 roku przyznano Nagrodę Nobla. Odkrycie zespołu z Vermont może więc otworzyć zupełnie nowe możliwości nie tylko w informatyce kwantowej, ale także w tworzeniu ultraprecyzyjnych sensorów i zegarów atomowych.