Jak dziwadła zaprząc do pracy
Dodano:
Kwantowy świat pozwoli zbudować zadziwiające urządzenia
Kwantowy świat poszerza granice ludzkiej wyobraźni. Kto mógłby wcześniej sądzić, że atom - budulec naszego zdawałoby się stabilnego otoczenia - może istnieć jednocześnie w różnych miejscach? Co więcej, atomy mogą być z sobą sprzężone, tak że oddziaływanie na jeden z nich wywrze efekt na inny, położony w znacznej odległości od pierwszego. Wreszcie - atomy podlegają nieodwracalnym zmianom wskutek samego aktu ich obserwacji.
O takich m.in. zależnościach mówią nam prawa mechaniki kwantowej. Znane jest zakłopotanie Einsteina wobec wniosku płynącego z tych praw, iż rzeczywistość jest jedynie zbiorem prawdopodobieństw, a Pan Bóg nie tylko gra ze wszechświatem w kości, lecz dodatkowo kości chowa za siebie. - Ze zdroworozsądkowego punktu widzenia mechanika kwantowa jest absurdalna - zauważa laureat Nobla w dziedzinie fizyki William Phillips z National Institute of Standards and Technology.
Jednak zbudowanie teorii kwantowej było "ukoronowaniem osiągnięć intelektualnych XX wieku", zapewnia fizyk John Preskill z California Institute of Technology. To ona jest podstawą działania wielu dzisiejszych urządzeń, od laserów po aparaty obrazowania w technice rezonansu magnetycznego. Niewykluczone, że są one dopiero nieśmiałą zapowiedzią tego, co możliwe będzie w przyszłości. Wielu naukowców spodziewa się pojawienia rewolucyjnych technologii, opartych na dziwnych dla nas własnościach kwantowego świata.
Przykładowo: istnieje stan materii wytworzony przez badaczy mniej niż 10 lat temu, zwany kondensatem Bosego-Einsteina, w którym każdy z milionów atomów zachowuje się identycznie i znajduje się w każdym miejscu próbki równocześnie. Dziesiątki grup badawczych na całym świecie prowadzą eksperymenty z tymi kondensatami, których własności zwiastują przyszłość, jaką w niewielkim tylko stopniu możemy sobie dziś wyobrazić. - Fizycy rozsmakowują się w dziwaczności kwantowego świata, ale zaczynamy także stawiać pytania, czy możliwe jest zaprzęgnięcie tej dziwaczności do pracy - mówi Preskill.
Niektóre teoretycznie możliwe zastosowania przyprawiają o zawrót głowy. Przykładowo - niedookreślony na razie, ale bardzo pożądany komputer kwantowy. Byłby on w stanie w ciągu 30 sekund poradzić sobie z wyzwaniem matematycznym, polegającym na rozłożeniu na czynniki pierwsze liczby wyrażonej 400 cyframi. Dzisiejszym superkomputerom zajęłoby to 10 miliardów lat. Jest wiele różnych pomysłów, jak zbudować taką maszynę, ale ostatnie eksperymenty z kondensatem Bosego-Einsteina otwierają nowe, intrygujące możliwości.
Dziwaczne cechy obiektów kwantowych pozwalają również tworzyć niemożliwe do złamania kody do przesyłania danych. Firmy takie jak MagiQ Technologies z Nowego Jorku i Quantique z Genewy przetwarzają już pomysły naukowców na produkty nadające się do praktycznych zastosowań. Z drugiej strony badania kwantowego świata mogą rzucić nowe światło na niewyjaśnione dotąd tajemnice natury, takie jak np. nadprzewodnictwo niektórych materiałów. To zaś może pozwolić na przesyłanie energii elektrycznej na wielkie odległości bez żadnych strat. Z kolei naukowcy z IBM ogłoszą wkrótce pracę na temat wykorzystania zjawisk kwantowych do precyzyjnej obserwacji cząsteczek.
Te i podobne zastosowania są zapewne tylko wierzchołkiem góry lodowej. W przeszłości nigdy nie udawało się przewidzieć zmian wywołanych rewolucjami naukowymi. Nie inaczej będzie ze światem kwantów. - Nie mamy jeszcze orientacji co do możliwych zastosowań - przyznaje fizyk Carl Williams z NIST. - Grozi nam raczej niebezpieczeństwo ich niedocenienia niż przecenienia.
Od komputerów kwantowych i większości innych urządzeń dzielą nas dziesiątki lat pracy - o ile w ogóle da się je zbudować. Mimo to możliwości tkwiące w tej dziedzinie skłoniły niektóre koncerny, m.in. IBM i Hewlett-Packard, do uruchomienia programów badawczych. Podległa Pentagonowi Defense Advanced Research Projects Agency rozpoczyna duży program mający na celu stworzenie sprawnego kwantowego procesora informacji. Celem tych wszystkich wysiłków jest "zyskanie kontroli nad materią kwantową - tłumaczy Immanuel Bloch z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji. - To wielkie wyzwanie, ale i korzyści mogą być wielkie".
Pewne wyobrażenie o pracach naukowców daje wizyta w laboratorium w Gaithersburgu w stanie Maryland, gdzie pracuje William Phillips i jego zespół. Nad wielkim stołem laboratoryjnym zwiesza się labirynt precyzyjnych luster i laserów nakierowanych na małą, szklaną komorę próżniową, w której prowadzi się rozpoznanie kwantowego świata. Phillips zdobył w 1997 roku Nagrodę Nobla za technikę zwaną chłodzeniem laserowym, wykorzystującą promienie lasera do spowalniania atomów, co obniża ich temperaturę do ułamków stopnia powyżej absolutnego zera. Obecnie Phillips uzyskuje jeszcze niższe temperatury atomów rubidu, pozwalając cieplejszym atomom "odparowywać".
SZCZYTY I DOLINY
Wewnątrz szklanej komory Phillips wytwarza kondensat Bosego-Einsteina. Osiągane skupienie atomów może być tak wielkie, że dostrzegalne nieuzbrojonym okiem. Można by się spodziewać, że przy tej skali zjawisk obowiązują stare, dobre prawa fizyki newtonowskiej. Tymczasem atomy podlegają tutaj heisenbergowskiej zasadzie nieoznaczoności - elektron lub atom nie jest przypisany żadnemu konkretnemu miejscu. Chociaż bryłka atomów w kondensacie ma w przekroju 0,1 mm długości i zawiera ich milion, "każdy atom jest jednocześnie wszędzie i to właśnie czyni całą sytuację tak cudowną" - zachwyca się Williams.
Istnienie tego dziwnego stanu materii Einstein przewidział w roku 1924, opierając się na wcześniejszych pracach fizyka hinduskiego Satyendra Nath Bosego. Po raz pierwszy udało się go wytworzyć w roku 1995 koledze Phillipsa z NIST, Ericowi Cornellowi i Carlowi Wiemanowi z Uniwersytetu Stanu Kolorado, za co dostali Nobla. Obecnie ok. 50 grup badaczy na całym świecie eksperymentuje z tym dziwnym tworem.
Jeden z najbardziej intrygujących - i potencjalnie użytecznych - zabiegów, jakich grupa Phillipsa dokonuje w swoim laboratorium, polega na ustawieniu atomów w zgrabne rzędy. Wykorzystuje się do tego celu precyzyjnie dobrane światło lasera. Wyobraźmy sobie, że wrzucamy kamyki do stawu - wywołuje to kręgi, fale na spokojnej dotąd powierzchni wody. Następnie wrzucamy kamyki na przeciwległym brzegu stawu i fale rozchodzą się w przeciwnym kierunku. Tam gdzie spotykają się obie grupy fal, tworzy się tzw. fala stojąca - niezmienny zbiór szczytów i dolin, podobny do układu wydm na pustyni.
Światło lasera to również fala. Dlatego dwa przecinające się promienie również tworzą szczyty i doliny. Naukowcy nazywają to siatką optyczną. Gdy Phillips lub inni badacze kierują przecinające się promienie laserowe na bryłkę atomów w kondensacie Bosego-Einsteina, poszczególne atomy przechodzą od stanu bycia wszędzie naraz do wygodnego spoczynku w dolinach. - To wielki podarunek od natury - uważa Phillips.
Dla informatyków takie zgrabne ułożenie atomów wygląda zaskakująco - jak dobra podstawa dla komputera. Można przyjąć, że każdy atom znajduje się na jednym z dwóch poziomów energetycznych, które dzieli niewielkie przejście kwantowe. Na tej zasadzie każdy atom może reprezentować 0 lub 1, tak jak bity w komputerze.
Jednak to nie są zwyczajne bity. W związku z dziwacznością kwantowego świata atom może być równocześnie 0 i 1. Co więcej, poszczególne bity kwantowe (albo kubity) mogą być z sobą splątane, nawet jeśli nie występuje między nimi rzeczywiste powiązanie. - Tajemnica splątania powoduje, że stan jednego atomu będzie zależny od stanu innego - tłumaczy Williams. - Ich związek jest o wiele silniejszy od związku małżeńskiego. Dzięki temu dla niektórych obliczeń moc komputera kwantowego rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem liczby kubitów, zatem podwojenie liczby bitów daje poczwórną moc. Jak mówi Williams, maszyna trzystukubitowa mogłaby objąć więcej kombinacji, niż jest atomów w całym wszechświecie.
POMYSŁOWE ALTERNATYWY
Do zbudowania takiej maszyny droga jeszcze daleka, współcześni naukowcy są dopiero na jej początku. Phillips i jego zespół próbują zrobić kolejny mały krok - chcą zbadać, jak można przekazywać informacje do poszczególnych kubitów i z poszczególnych kubitów przez przerzucanie atomów z jednego stanu energetycznego w drugi za pomocą promieni lasera.
Inne ośrodki badawcze pracują nad alternatywnymi pomysłami w ramach tego samego nurtu poszukiwań. Na uniwersytecie w Moguncji Bloch także umieszcza atomy z kondensatu Bosego-Einsteina w dolinach siatki optycznej. Jego oryginalnym wkładem jest natomiast wytwarzanie dwóch jednoczesnych siatek za pomocą dwu różnych kolorów promieni lasera. Bloch wprowadza swoje atomy w dwa stany energetyczne równocześnie, a następnie przemieszcza jeden z "krajobrazów", co powoduje nowe rodzaje interakcji między atomami. - Możemy splątać setki tysięcy atomów i zmierzyć stan każdej cząstki - twierdzi Bloch. - To zupełnie nowy sposób myślenia o komputerze kwantowym.
Inny kierunek badań polega na użyciu jako kubitów jonów schwytanych w pole magnetyczne - zamiast atomów w siatce optycznej. Stosując takie rozwiązanie, David Wineland z ośrodka badawczego NIST w Boulder w stanie Kolorado zbudował sprawne bramki logiczne, czyli podstawowy element komputera. Inne zespoły naukowców prowadzą z kolei eksperymenty z maleńkimi drobinami materiału półprzewodzącego, nazwanymi punktami kwantowymi.
Przyszłe korzyści z tych poszukiwań wykroczą zapewne daleko poza domenę komputerów. Ponieważ sam akt obserwacji informacji kwantowej zmienia ją, treści zakodowane przy użyciu kwantowych kluczy mogą być bezpiecznie przesyłane w sieci. Dlaczego? Ponieważ każda próba przechwycenia stanie się od razu widoczna dla użytkowników, którzy natychmiast zmienią klucz na inny.
Chociaż te i inne zastosowania są dla naukowców bardzo intrygujące, kwestie czysto poznawcze interesują ich co najmniej tak samo. Fizykowi z NIST Deborah Jin udało się w tym roku wytworzyć stan materii zwany kondensatem fermionowym, który jest jeszcze rzadszy od spokrewnionych z nim kondensatów Bosego-Einsteina. Udało się jej sprowadzić do wspólnego stanu niskoenergetycznego atomy, które normalnie nie chcą przebywać obok siebie. Prace Jin mogą przynieść lepsze zrozumienie nadprzewodnictwa, które bazuje na podobnych parach cząstek kwantowych.
Naukowcy są często zaskoczeni tym, co napotykają w trakcie badań. Niedawno Phillips eksperymentował ze słabymi promieniami laserowymi i okazało się, że hamowały one ruchy atomów. - Nie wiemy, czy jest to nowe, ciekawe zjawisko fizyczne, czy też jest to wynik jakiegoś błędu - opowiada. Tak właśnie dokonuje się czasem postęp w nauce i technice: małymi, ale ważnymi krokami.
John Carey
O takich m.in. zależnościach mówią nam prawa mechaniki kwantowej. Znane jest zakłopotanie Einsteina wobec wniosku płynącego z tych praw, iż rzeczywistość jest jedynie zbiorem prawdopodobieństw, a Pan Bóg nie tylko gra ze wszechświatem w kości, lecz dodatkowo kości chowa za siebie. - Ze zdroworozsądkowego punktu widzenia mechanika kwantowa jest absurdalna - zauważa laureat Nobla w dziedzinie fizyki William Phillips z National Institute of Standards and Technology.
Jednak zbudowanie teorii kwantowej było "ukoronowaniem osiągnięć intelektualnych XX wieku", zapewnia fizyk John Preskill z California Institute of Technology. To ona jest podstawą działania wielu dzisiejszych urządzeń, od laserów po aparaty obrazowania w technice rezonansu magnetycznego. Niewykluczone, że są one dopiero nieśmiałą zapowiedzią tego, co możliwe będzie w przyszłości. Wielu naukowców spodziewa się pojawienia rewolucyjnych technologii, opartych na dziwnych dla nas własnościach kwantowego świata.
Przykładowo: istnieje stan materii wytworzony przez badaczy mniej niż 10 lat temu, zwany kondensatem Bosego-Einsteina, w którym każdy z milionów atomów zachowuje się identycznie i znajduje się w każdym miejscu próbki równocześnie. Dziesiątki grup badawczych na całym świecie prowadzą eksperymenty z tymi kondensatami, których własności zwiastują przyszłość, jaką w niewielkim tylko stopniu możemy sobie dziś wyobrazić. - Fizycy rozsmakowują się w dziwaczności kwantowego świata, ale zaczynamy także stawiać pytania, czy możliwe jest zaprzęgnięcie tej dziwaczności do pracy - mówi Preskill.
Niektóre teoretycznie możliwe zastosowania przyprawiają o zawrót głowy. Przykładowo - niedookreślony na razie, ale bardzo pożądany komputer kwantowy. Byłby on w stanie w ciągu 30 sekund poradzić sobie z wyzwaniem matematycznym, polegającym na rozłożeniu na czynniki pierwsze liczby wyrażonej 400 cyframi. Dzisiejszym superkomputerom zajęłoby to 10 miliardów lat. Jest wiele różnych pomysłów, jak zbudować taką maszynę, ale ostatnie eksperymenty z kondensatem Bosego-Einsteina otwierają nowe, intrygujące możliwości.
Dziwaczne cechy obiektów kwantowych pozwalają również tworzyć niemożliwe do złamania kody do przesyłania danych. Firmy takie jak MagiQ Technologies z Nowego Jorku i Quantique z Genewy przetwarzają już pomysły naukowców na produkty nadające się do praktycznych zastosowań. Z drugiej strony badania kwantowego świata mogą rzucić nowe światło na niewyjaśnione dotąd tajemnice natury, takie jak np. nadprzewodnictwo niektórych materiałów. To zaś może pozwolić na przesyłanie energii elektrycznej na wielkie odległości bez żadnych strat. Z kolei naukowcy z IBM ogłoszą wkrótce pracę na temat wykorzystania zjawisk kwantowych do precyzyjnej obserwacji cząsteczek.
Te i podobne zastosowania są zapewne tylko wierzchołkiem góry lodowej. W przeszłości nigdy nie udawało się przewidzieć zmian wywołanych rewolucjami naukowymi. Nie inaczej będzie ze światem kwantów. - Nie mamy jeszcze orientacji co do możliwych zastosowań - przyznaje fizyk Carl Williams z NIST. - Grozi nam raczej niebezpieczeństwo ich niedocenienia niż przecenienia.
Od komputerów kwantowych i większości innych urządzeń dzielą nas dziesiątki lat pracy - o ile w ogóle da się je zbudować. Mimo to możliwości tkwiące w tej dziedzinie skłoniły niektóre koncerny, m.in. IBM i Hewlett-Packard, do uruchomienia programów badawczych. Podległa Pentagonowi Defense Advanced Research Projects Agency rozpoczyna duży program mający na celu stworzenie sprawnego kwantowego procesora informacji. Celem tych wszystkich wysiłków jest "zyskanie kontroli nad materią kwantową - tłumaczy Immanuel Bloch z Uniwersytetu Johannesa Gutenberga w Moguncji. - To wielkie wyzwanie, ale i korzyści mogą być wielkie".
Pewne wyobrażenie o pracach naukowców daje wizyta w laboratorium w Gaithersburgu w stanie Maryland, gdzie pracuje William Phillips i jego zespół. Nad wielkim stołem laboratoryjnym zwiesza się labirynt precyzyjnych luster i laserów nakierowanych na małą, szklaną komorę próżniową, w której prowadzi się rozpoznanie kwantowego świata. Phillips zdobył w 1997 roku Nagrodę Nobla za technikę zwaną chłodzeniem laserowym, wykorzystującą promienie lasera do spowalniania atomów, co obniża ich temperaturę do ułamków stopnia powyżej absolutnego zera. Obecnie Phillips uzyskuje jeszcze niższe temperatury atomów rubidu, pozwalając cieplejszym atomom "odparowywać".
SZCZYTY I DOLINY
Wewnątrz szklanej komory Phillips wytwarza kondensat Bosego-Einsteina. Osiągane skupienie atomów może być tak wielkie, że dostrzegalne nieuzbrojonym okiem. Można by się spodziewać, że przy tej skali zjawisk obowiązują stare, dobre prawa fizyki newtonowskiej. Tymczasem atomy podlegają tutaj heisenbergowskiej zasadzie nieoznaczoności - elektron lub atom nie jest przypisany żadnemu konkretnemu miejscu. Chociaż bryłka atomów w kondensacie ma w przekroju 0,1 mm długości i zawiera ich milion, "każdy atom jest jednocześnie wszędzie i to właśnie czyni całą sytuację tak cudowną" - zachwyca się Williams.
Istnienie tego dziwnego stanu materii Einstein przewidział w roku 1924, opierając się na wcześniejszych pracach fizyka hinduskiego Satyendra Nath Bosego. Po raz pierwszy udało się go wytworzyć w roku 1995 koledze Phillipsa z NIST, Ericowi Cornellowi i Carlowi Wiemanowi z Uniwersytetu Stanu Kolorado, za co dostali Nobla. Obecnie ok. 50 grup badaczy na całym świecie eksperymentuje z tym dziwnym tworem.
Jeden z najbardziej intrygujących - i potencjalnie użytecznych - zabiegów, jakich grupa Phillipsa dokonuje w swoim laboratorium, polega na ustawieniu atomów w zgrabne rzędy. Wykorzystuje się do tego celu precyzyjnie dobrane światło lasera. Wyobraźmy sobie, że wrzucamy kamyki do stawu - wywołuje to kręgi, fale na spokojnej dotąd powierzchni wody. Następnie wrzucamy kamyki na przeciwległym brzegu stawu i fale rozchodzą się w przeciwnym kierunku. Tam gdzie spotykają się obie grupy fal, tworzy się tzw. fala stojąca - niezmienny zbiór szczytów i dolin, podobny do układu wydm na pustyni.
Światło lasera to również fala. Dlatego dwa przecinające się promienie również tworzą szczyty i doliny. Naukowcy nazywają to siatką optyczną. Gdy Phillips lub inni badacze kierują przecinające się promienie laserowe na bryłkę atomów w kondensacie Bosego-Einsteina, poszczególne atomy przechodzą od stanu bycia wszędzie naraz do wygodnego spoczynku w dolinach. - To wielki podarunek od natury - uważa Phillips.
Dla informatyków takie zgrabne ułożenie atomów wygląda zaskakująco - jak dobra podstawa dla komputera. Można przyjąć, że każdy atom znajduje się na jednym z dwóch poziomów energetycznych, które dzieli niewielkie przejście kwantowe. Na tej zasadzie każdy atom może reprezentować 0 lub 1, tak jak bity w komputerze.
Jednak to nie są zwyczajne bity. W związku z dziwacznością kwantowego świata atom może być równocześnie 0 i 1. Co więcej, poszczególne bity kwantowe (albo kubity) mogą być z sobą splątane, nawet jeśli nie występuje między nimi rzeczywiste powiązanie. - Tajemnica splątania powoduje, że stan jednego atomu będzie zależny od stanu innego - tłumaczy Williams. - Ich związek jest o wiele silniejszy od związku małżeńskiego. Dzięki temu dla niektórych obliczeń moc komputera kwantowego rośnie wykładniczo wraz ze wzrostem liczby kubitów, zatem podwojenie liczby bitów daje poczwórną moc. Jak mówi Williams, maszyna trzystukubitowa mogłaby objąć więcej kombinacji, niż jest atomów w całym wszechświecie.
POMYSŁOWE ALTERNATYWY
Do zbudowania takiej maszyny droga jeszcze daleka, współcześni naukowcy są dopiero na jej początku. Phillips i jego zespół próbują zrobić kolejny mały krok - chcą zbadać, jak można przekazywać informacje do poszczególnych kubitów i z poszczególnych kubitów przez przerzucanie atomów z jednego stanu energetycznego w drugi za pomocą promieni lasera.
Inne ośrodki badawcze pracują nad alternatywnymi pomysłami w ramach tego samego nurtu poszukiwań. Na uniwersytecie w Moguncji Bloch także umieszcza atomy z kondensatu Bosego-Einsteina w dolinach siatki optycznej. Jego oryginalnym wkładem jest natomiast wytwarzanie dwóch jednoczesnych siatek za pomocą dwu różnych kolorów promieni lasera. Bloch wprowadza swoje atomy w dwa stany energetyczne równocześnie, a następnie przemieszcza jeden z "krajobrazów", co powoduje nowe rodzaje interakcji między atomami. - Możemy splątać setki tysięcy atomów i zmierzyć stan każdej cząstki - twierdzi Bloch. - To zupełnie nowy sposób myślenia o komputerze kwantowym.
Inny kierunek badań polega na użyciu jako kubitów jonów schwytanych w pole magnetyczne - zamiast atomów w siatce optycznej. Stosując takie rozwiązanie, David Wineland z ośrodka badawczego NIST w Boulder w stanie Kolorado zbudował sprawne bramki logiczne, czyli podstawowy element komputera. Inne zespoły naukowców prowadzą z kolei eksperymenty z maleńkimi drobinami materiału półprzewodzącego, nazwanymi punktami kwantowymi.
Przyszłe korzyści z tych poszukiwań wykroczą zapewne daleko poza domenę komputerów. Ponieważ sam akt obserwacji informacji kwantowej zmienia ją, treści zakodowane przy użyciu kwantowych kluczy mogą być bezpiecznie przesyłane w sieci. Dlaczego? Ponieważ każda próba przechwycenia stanie się od razu widoczna dla użytkowników, którzy natychmiast zmienią klucz na inny.
Chociaż te i inne zastosowania są dla naukowców bardzo intrygujące, kwestie czysto poznawcze interesują ich co najmniej tak samo. Fizykowi z NIST Deborah Jin udało się w tym roku wytworzyć stan materii zwany kondensatem fermionowym, który jest jeszcze rzadszy od spokrewnionych z nim kondensatów Bosego-Einsteina. Udało się jej sprowadzić do wspólnego stanu niskoenergetycznego atomy, które normalnie nie chcą przebywać obok siebie. Prace Jin mogą przynieść lepsze zrozumienie nadprzewodnictwa, które bazuje na podobnych parach cząstek kwantowych.
Naukowcy są często zaskoczeni tym, co napotykają w trakcie badań. Niedawno Phillips eksperymentował ze słabymi promieniami laserowymi i okazało się, że hamowały one ruchy atomów. - Nie wiemy, czy jest to nowe, ciekawe zjawisko fizyczne, czy też jest to wynik jakiegoś błędu - opowiada. Tak właśnie dokonuje się czasem postęp w nauce i technice: małymi, ale ważnymi krokami.
John Carey