Kocia blaszka

Pozorne kwantowe sprzeczności można było do tej pory zamiatać pod dywan. To, czy np. elektron jest cząstką, czy falą, interesowało bardzo małe grupy naukowców, którzy (podobno) rozumieją, na czym polegają paradoksy mechaniki kwantowej. Zwykłym śmiertelnikom pozostawało się cieszyć praktycznymi zastosowaniami tych zjawisk - np. sprzętem komputerowym.

Jednak mechanika kwantowa zaczęła właśnie przenikać do świata naszych rozmiarów. Dowodem na to jest przełomowa publikacja amerykańskich badaczy.

Drga i nie drga

Do tej pory uważano, że wszystkie urządzenia stworzone przez człowieka poruszają się zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej. Czyli tej prostej, eleganckiej, opisanej przez Newtona i dobrze sprawdzonej. Co prawda, na początku XX wieku pojawiły się teorie konkurencyjne: względności i kwantów, ale w sposób odczuwalny dotyczyły one tylko obiektów bardzo dużych, takich jak gwiazdy (teoria względności), i bardzo małych, takich jak elektron (mechanika kwantowa).

W marcu 2010 r. wszystko się zmieniło. Amerykańscy naukowcy stworzyli blaszkę na tyle dużą, że widać ją gołym okiem, która drgała w sposób dający się opisać tylko według reguł mechaniki kwantowej.

Najpierw Andrew Cleland i John Martinis z Uniwersytetu Kalifornijskiego ową blaszkę schłodzili do temperatury bliskiej zera absolutnego (-273 st. C). W ten sposób wprowadzili ją w stan niemal kompletnego bezruchu, czyli tzw. stan podstawowy, to jest stan o najmniejszej energii dopuszczany przez mechanikę kwantową. Potem podnieśli poziom jej energii, ale tylko o minimalną wartość: jednego kwantu. Dzięki temu osiągnęli czysto kwantowy stan wzbudzony.

Kot Schrödingera

Jak przełożyć zjawiska z nanoświata na makroświat? W 1935 r. wybitny fizyk Erwin Schrödinger zaproponował następujący eksperyment myślowy: zamykamy szczelnie kota z emitującym średnio 1 cząstkę na godzinę źródłem promieniowania i detektorem promieniowania, który w chwili wykrycia go uwalnia truciznę. Jeśli przez godzinę nastąpi rozpad promieniotwórczy, kot zdechnie, jeśli nie - przeżyje. Z zasad mechaniki kwantowej wynika, że radioaktywny atom pod koniec eksperymentu jest w stanie tzw. superpozycji: jest zarazem rozpadnięty i nie. Zatem i kot, dopóki nie dokonamy pomiaru (czyli sprawdzimy, co się ze zwierzęciem dzieje), znajduje się jednocześnie w każdym z możliwych stanów - a więc jest i żywy, i martwy.

To jeszcze nie teleportacja

komentuje dr Cezary Juszczak, fizyk z Uniwersytetu Wrocławskiego

Uzasadnienie przyznania nagrody było przez "Science" przedstawione w uproszczony, a przez to nieprawdziwy sposób. Różnica między stanem podstawowym blaszki (co sugerowano) a stanem podstawowym konkretnej mody fononowej przypomina różnicę między całkowitym brakiem gotówki a brakiem gotówki w nominałach po 200 zł.

Ważnym faktem, który udało się potwierdzić, jest stwierdzenie, że energia drgań o pewnej częstotliwości musi być wielokrotnością tej częstotliwości (w pewnym uproszczeniu, które fizycy nazywają naturalnym układem jednostek), podobnie jak kwota przekazana w banknotach po 200 zł musi być wielokrotnością 200 zł.

Dodatkową ciekawostką jest fakt, że energia swobodnie przepływa między tzw. q-bitem a blaszką, i choć wiadomo, ile jej jest, to nie wiadomo, czy należy ona do q-bitu, czy do blaszki. Ten dylemat zrozumieją najlepiej małżonkowie posiadający w portfelu banknot 200 zł.

Tak więc mamy potwierdzenie, że mechanika kwantowa dobrze opisuje drgania blaszek, ale możemy spać spokojnie - blaszki nie zaczną się teleportować, bo odkrycie nie dotyczy ich pozycji w przestrzeni, tylko ich odkształceń.

Co więcej, udało im się nawet wprowadzić blaszkę w oba stany jednocześnie. A zatem wykonywała ona w tej samej chwili drgania stanu podstawowego i drgania stanu wzbudzonego: znalazła się w tzw. kwantowej superpozycji obu tych stanów. Innymi słowy, w dużym uproszczeniu, jednocześnie drgała i nie drgała.

Jeden z autorów eksperymentu, doktorant Aaron O’Connell, w rozmowie z tygodnikiem "Nature", gdzie ukazały się wyniki badań, wyjaśniał: "Bardzo długo pracowałem nad tym, by coś przestało robić cokolwiek. By było w stanie niemal doskonałego bezruchu. A potem chciałem, by ta rzecz, pozostając w stanie niemal całkowitego spoczynku, zaczęła trochę się ruszać. Innymi słowy, by znalazła się w dwóch miejscach jednocześnie. Do tego był nam potrzebny specjalny obwód elektryczny, którym potrafimy sterować zgodnie z zasadami mechaniki kwantowej, i który połączyliśmy z tym specjalnym rezonatorem [blaszką]. Nasz obwód może dodawać, a jednocześnie nie dodawać energii owej blaszce. Można porównać to z huśtawką. Jeżeli jednocześnie popychamy ją i nie popychamy, to huśtawka jednocześnie huśta się i nie".

Kluczowa część rezonatora ma długość 40 mikrometrów i grubość poniżej jednego mikrometra (czyli jednej tysięcznej milimetra). Blaszka drgała 6 miliardów razy na sekundę.

Jak sugerował w komentarzu w "Nature" wiedeński fizyk Markus Aspelmeyer, kontrolowanie kwantowych ruchów pojedynczych atomów nie jest dzisiaj niczym nadzwyczajnym, ale osiągnięcie tego dla systemów o rozmiarach mierzonych w nano- czy mikrometrach - to coś nadzwyczajnego. O’Connell otworzył drzwi do kwantowej kontroli obiektów makroskopowych.

Szkiełkiem i okiem sceptyka

- Kiedy czytałem tę publikację, to na marginesie zabrakło mi miejsca od komentarzy, wątpliwości i znaków zapytania - mówi "Tygodnikowi" dr Zygmunt Petru, fizyk z Uniwersytetu Wrocławskiego. - Jako teoretyk chciałbym dopytać eksperymentatorów o wiele spraw. Zachowuję sceptycyzm. Ale jeśli wyniki tych badań zostaną powtórzone, to na pewno będziemy mogli mówić o ogromnym przełomie - zastrzega. - Bo ci amerykańscy naukowcy dokonali trzech fantastycznych rzeczy: po pierwsze, w bardzo ciekawy sposób osiągnęli stan podstawowy, czyli stan najniższej energii danego układu, w tym przypadku owej blaszki. We wcześniej badanych układach, np. drgających prętach, taki stan teoretycznie daje się uzyskać w nieosiągalnie niskich temperaturach rzędu nanokelwinów.

Nanokelwin to 0,000000001 kelwina, i jak wyjaśnia dr Petru, naukowcy na razie nie potrafią osiągnąć tak niskich temperatur, osiągając najwyżej mikrokelwiny, czyli 0,000001 K.

Tymczasem fizycy z Uniwersytetu Kalifornijskiego uciekli się do pewnego wybiegu. - Zamiast obniżać drastycznie temperaturę, podwyższyli znacznie częstość drgań - tłumaczy dr Petru. - Między drgającymi blaszkami umieścili piezoelektryk, osiągając częstość aż 6 mld drgań na sekundę. Ta metoda jest imitacją owych skrajnie niskich temperatur, przy zachowaniu faktycznej temperatury rzędu 0,1 K.

Po drugie - dodaje - pokonali bardzo ważną przeszkodę w badaniach świata kwantowego. Otóż, zwykle badamy ten świat urządzeniami makroskopowymi, i w efekcie sam fakt badania zaburza stan układu.

W takiej sytuacji np. fala świetlna uderza w badany elektron, zmieniając jego położenie i prędkość; w efekcie nie możemy więc dokładnie określić jednocześnie jednego i drugiego.

Tymczasem O’Connell, jak tłumaczy fizyk z Uniwersytetu Wrocławskiego, wykorzystał urządzenie pomiarowe, które, podobnie jak badany obiekt, rządzi się prawami fizyki kwantowej, i oba układy zostały ze sobą koherentnie połączone.

- Urządzenie pomiarowe zmienia w sposób kontrolowany stan układu badanego - mówi dr Petru. - W ten sposób daje się uniknąć zaburzeń pomiaru. I wreszcie - podkreśla - na uwagę zasługuje fakt, że przekroczono pewną bardzo istotną granicę. Do tej pory sądziliśmy, że prawa fizyki kwantowej dotyczą tylko bardzo małych obiektów, cząstek elementarnych, atomów czy niewielkich molekuł. Do największych z nich zaliczano fuleren, czyli "kulkę" złożoną z 60 atomów węgla. Teraz się okazało, że tę granicę przekroczono, i to o parę rzędów wielkości.

Kwantowa kontrola nad światem?

Odkrycie i publikacja w "Nature" odbiły się w świecie szerokim echem. Do tego stopnia, że prestiżowy tygodnik "Science" uznał dzieło amerykańskich fizyków za naukowe dokonanie roku 2010. Drgająca i niedrgająca jednocześnie blaszka wyprzedziła w rankingu takie osiągnięcia, jak stworzenie sztucznego genomu i syntetycznej bakterii czy odkrycie kolejnej grupy planet pozasłonecznych.

"Po raz pierwszy naukowcy zademonstrowali efekty kwantowe w ruchu obiektu stworzonego przez człowieka" - argumentował jeden z redaktorów "Science" Adrian Cho. - "Na poziomie konceptualnym to świetnie, bo mechanika kwantowa objęła teraz całą nową rzeczywistość. Zaś na poziomie praktycznym ten przełom otwiera drogę do kwantowej kontroli nad światłem, prądem elektrycznym czy ruchem. Być może pewnego dnia da się także przetestować granice mechaniki kwantowej i naszego poczucia rzeczywistości".

Chodzi między innymi o teoretyczną możliwość znajdowania się dużego obiektu w dwóch miejscach jednocześnie. Niektórzy nieśmiało mówią o rozstrzygnięciu słynnej zagadki kota Schrödingera (patrz obok). To jednak odległa przyszłość. Opanowanie strzelania z procy nie oznacza od razu, że można się z niej wystrzelić na Księżyc.

RAFAŁ MOTRIUK jest korespondentem naukowym Polskiego Radia i stałym współpracownikiem "TP".

Konsultacja naukowa tekstu: dr Zygmunt Petru, Uniwersytet Wrocławski.