Autor: Barbara Arbanas-kovačević

Matrix World

Fizičari ne samo da cijepaju atome nego ih i ponovo sastavljaju. Njihova tajna? Kvantna fizika. Skupina znanstvenika je uspjela „rascijepiti“ atom u dva moguća stanja spina i izmjeriti razliku među njima čak i nakon što je atom nastavio sa svojstvima jednog stanja.

Istraživanje nije bilo igra za kvantne fizičare: to bi mogla biti pomoć pri razvoju kvantnog računala, način stimulacije kvantnih sustava što bi pomoglo pri rješavanju kompleksnih problema na mnogo učinkovitiji način nego što to čine današnja računala.

Tim je na Sveučilištu Bonn u Njemačkoj proveo nekoliko varijacija eksperimenta s dvostrukim prorezom a koji su pokazali kako se navodno čvrste čestice  (atomi, elektroni i slične) mogu ponašati kao valovi. Istraživači su pokazali da mogu poslati atom na dva mjesta odjednom, odvojena 10 mikrometara (stotinku milimetra – velika udaljenost za atom).

Interferencijski uzorak

U klasičnom eksperimentu s dvostrukim prorezom, atomi se, uz pauze, ispaljuju u zid s dva otvora kroz koja prolaze na drugu stranu gdje udaraju u detektor pritom stvarajući interferenciju koja ostavlja uzorak koji se inače očekuje od vala. Kada bi se atomi ponašali onako kako se intuitivno očekuje da će se čestice ponašati, trebali bi se pojaviti iz jednog ili drugog proreza  bez uzorka interferencije. Kako sve više atoma prolazi kroz otvore, trebao bi postojati njihov skup oko dvije točke iza proreza.

S obzirom da je riječ o kvantnoj mehanici, to nije ono što se inače događa.

Umjesto toga, postoji uzorak miješanja koji pokazuje vrhove i doline. Atomi se ponašaju poput valova. Atom se istovremeno nalazi na dva mjesta.

Ali ukoliko pokušate vidjeti atom na jednom ili oba mjesta, on se „uruši“ u jedno jer čin promatranja određuje njegovu sudbinu; stoga nestaje uzorak interferencije. Više o eksperimentu s dvostrukim prorezom pročitajte ovdje.

Eksperiment s dvostrukim prorezom

U eksperimentu na Bonnu, istraživači su ispalili dva lasera u nizu na jedan atom cezija, mičući ih na lijevu ili desnu stranu. Laseri su istraživačima omogućili precizno kontroliranje pokreta atoma na način na koji staromodni dvostruki prorez ne bi mogao. (Prije ispaljivanja iz lasera, istraživači su atom ohladili do apsolutne nule eliminirajući tako većinu njegovog kretanja). Krhki kvantni učinci se mogu javiti samo na najnižim temperaturama i pri pažljivom rukovanju. Jedna od metoda je hlađenje atoma pomoću lasera na temperaturu od 1/10 milijuna iznad apsolutne nule i zatim držanje drugim laserom. Ovaj je laserski snop ključan za cijepanje atoma. To je moguće jer atomi imaju spin koji može ići u jednom od dva smjera. Ovisno o smjeru, atom se može laserom pomicati u lijevu ili desnu stranu. Ključ je u tome da spin atoma može biti u oba smjera simultano, pa ako se atom istovremeno miče i u lijevu i u desnu stranu, on će se razdvojiti. „Atom ima neku vrstu podvojene osobnosti, polovica je na desno a polovica na lijevo, no ipak ostaje kao cjelina,“ objašnjava Andreas Steffen, glavni autor.

Svaki atom ima stanje spina (centrifugalno stanje) koje je gore ili dolje. Pomicanjem atoma u dva smjera istovremeno (korištenjem oba lasera) znanstvenici su ga uspjeli „razdvojiti“. Za razliku od cijepanja atoma na sastavne subatomske čestice, kao što se to dešava pri radioaktivnom raspadanju, u ovom slučaju se atom razdvojio na dva blizanca. Nalazio se u dva stanja odjednom – gore i dolje.

Spin atoma

Nije moguće odjednom promatrati oba stanja. Ukoliko se pokuša mjeriti stanje atoma, on bi se „urušio“ u jedno od njih. Ali kada se atom promatra na kraju svojeg putovanja, kombinaciju dva stanja je moguće mjeriti.

Budući da se atomi, i ostale kvantne čestice, ponašaju poput valova, oni imaju faze, baš poput valova. (Faza je određena točka u ciklusu vala i mjeri se stupnjevima. Dva vala istog oblika i 180° van faze jedan od drugog će se međusobno poništiti kroz poravnanje s brijegom onog drugog. Valovi u međusobnoj fazi će se dodati kada se jedan brijeg poravna s drugim.)

Laser iskrivljuje valnu fazu kada pomiče atom na lijevo i desno. Dakle, sada postoji razlika u fazama dva spina kada atom stiže na svoje odredište i više nije „razdvojen“. Iako nije moguće odjednom vidjeti oba stanja, kada se promatra atom na kraju njegovog putovanja, može se mjeriti kombinacija dva stanja.

Uz mjerenje ove razlike između faza, istraživači su također primijetili „nelokalnost“ (dvostruku stazu kroz svemir koju prolazi atom) na većoj udaljenosti nego ikad prije, na veličini u mikrometrima za razliku od nanometra.

To je dvojna priroda, nazvana superponirano stanje, atoma koja bi kvantna računala učinila toliko moćnima. Bitovi (poznati kao „kvantni bitovi“) se mogu nalaziti u više od jednog stanja odjednom što omogućava izračune za koje bi običnim računalima bilo potrebno mnogo vremena. To također znači da bi kvantna računala mogla biti korisna pri simulaciji ostalih kvantnih sustava.

Fizičar Andrea Alberti, jedan od koautora, je rekao da je to razlog zbog kojeg u budućnosti istraživači žele eksperimentirati s više atoma. „S dva atoma, imate četiri različite putanje, ali samo se jedna nalazi na mjestu ‘sastanka’,“ rekao je. Kontroliranjem faza nekoliko atoma dobiva se više bitova. Može se o tome razmišljati kao o dva bita u sva četiri moguća stanja odjednom.

Nije jasno, kaže, koji je minimalni broj bitova potreban za rad kvantnog računala. Ali činjenica da znanstvenici mogu kontrolirati stanje faza jednog jedinog atoma znači da bi trebalo biti moguće istu stvar učiniti s više od jednim.

Poanta je, rekao je Alberti, stvaranje načina simulacije kvantnih sustava. Sada je to teško jer su izračuni vrlo kompleksni, ali sustav kvantnog računanja pruža takve izračune bolje od klasičnog računala.