Światowy sukces fizyków PAN. Pionierskie badania przyspieszą rozwój komputerów kwantowych

Naukowcy z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, pod kierunkiem prof. Kazimierza Rzążewskiego, uczestniczyli w przełomowym eksperymencie nad tzw. kondensatem Bosego-Einsteina.

Bose Einstein kondensat

Rozkład prędkości atomów w chmurze ultrazimnego gazu. Po lewej: tuż przed pojawieniem się kondensatu Bosego-Einsteina. Na środku: chwilę po uformowaniu się kondensatu. Po prawej: próbka prawie czystego kondensatu

Badania poszerzyły naszą wiedzę o kwantowych właściwościach materii. Polscy fizycy odpowiadali za podstawę teoretyczną projektu, zaś eksperyment przeprowadzono w całości w Danii.

„Wspólnymi siłami z naukowcami z Danii i Niemiec dokonaliśmy prekursorskiego pomiaru” – cieszy się prof. Kazimierz Rzążewski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i dodaje: „Otworzyliśmy furtkę do lepszego zrozumienia własności statystycznych w zimnych atomach. W tej dziedzinie jest ciągle wiele zagadek, nad którymi pracują obecnie setki laboratoriów na świecie. Wypracowane w naszym eksperymencie metody przyspieszą ich prace”.

Jak to wpłynie na technologię

Badania związane z kondensatem Bosego-Einsteina i chmurami zimnych atomów przyspieszają rozwój wielu nowych technologii. Chmury zimnych atomów są już m.in rutynowo używane w najdokładniejszych na świecie zegarach atomowych.

Stosunkowo niedawno zaczęto je także wykorzystywać do bardzo precyzyjnych pomiarów pól magnetycznych i grawitacyjnych. Dzięki temu możliwy jest już na przykład pomiar przyciągania grawitacyjnego wywołanego masą człowieka (i to nawet szczupłego). W przyszłości może to pozwolić na badania ruchów mas w głębi Ziemi i przewidywanie trzęsień Ziemi.

Osobną gałęzią badań nad kondensatem Bosego-Einsteina jest też wykorzystanie go do budowy komputerów kwantowych. Idea komputerów kwantowych jest oparta na kwantowych bitach, zwanych kubitami, w których "0" i "1" mogą występować jednocześnie. Ich zastosowanie pozwoli wykonywać złożone zadania matematyczne szybciej, niż jest to możliwe z wykorzystaniem klasycznych komputerów.

Co dokładnie odkryli polscy naukowcy

W eksperymencie zmierzono, ile ze schłodzonych atomów tworzy kondensat Bosego-Einsteina, a ile pozostaje zwykłym zimnym gazem, oraz w jakim stopniu liczby te podlegają zmianom. Choć badania nad właściwościami kondensatu ciągle się rozwijają, nikomu dotychczas nie udało się zmierzyć jednej z jego podstawowych właściwości.

prof Kazimierz Rzazewski

Prof. Kazimierz Rzążewski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, kierownik polskiej grupy fizyków

Zespół, w którego skład wchodzili polscy naukowcy, opracował unikalne metody przygotowania chmury atomów, z ustaloną liczbą cząstek, z precyzją sięgającą dziesiątych części procenta. Pozwoliło to na wielokrotne dokładne zmierzenie liczby atomów tworzących kondensat i określenie, jak zmienia się ta liczba.

Było to jednak wyzwanie nie tylko pod względem eksperymentalnym, ale także teoretycznym. Fizycy bowiem od dawna zastanawiali się nad tym, jakimi równaniami powinno się opisywać zmiany liczby atomów w kondensacie Bosego-Einsteina. Pytanie to pozostaje od lat otwarte, ponieważ nawet drobne zmiany w modelach teoretycznych prowadzą do zupełnie różnych wyników.

dr Krzysztof Pawlowski

Dr hab. Krzysztof Pawłowski z Centrum Fizyki Teoretycznej PAN, członek grupy badawczej

Jednym z głównych problemów, nad którego rozwiązaniem wciąż pracują naukowcy, jest uwzględnienie w opisie teoretycznym zderzeń pomiędzy setkami tysięcy atomów tworzących kondensat. Polscy fizycy, używając metody pól klasycznych wykazali, że w zrealizowanym doświadczeniu wpływ zderzeń między atomami na uzyskiwane wyniki jest niezwykle mały. Pozwoliło to na bardzo precyzyjną analizę przeprowadzonych badań.

Co to jest kondensat Bosego-Einsteina

Kondensat Bosego-Einsteina to stan skupienia materii, który występuje w skrajnie niskich temperaturach, niewiele tylko wyższych od temperatury zera bezwzględnego (−273,15 °C = 0 K). Gdy materia osiąga ten stan skupienia, uwidaczniają się jej kwantowe właściwości. Atomy w kondensacie są tak zimne, że zachowują się bardziej jak fale niż jak cząstki. Co więcej, ponieważ fale poszczególnych atomów nakładają się na siebie, to kondensat zachowuje się jak jeden „superatom”.

kondensat

Aparatura w laboratorium w Aarhus w Danii wykorzystana do wytwarzania kondensatu Bosego-Einsteina. Głównym jej elementem jest pułapka magnetooptyczna wykorzystująca pole magnetyczne i światło laserów do ochłodzenia badanych atomów

Kondensat Bosego-Einsteina tworzy jedną wielką falę materii, która jest sumą setek tysięcy tworzących go atomów. Pierwszy kondensat stworzono eksperymentalnie w 1995 roku, a pracujące nad nim zespoły naukowców zostały uhonorowane w 2001 roku Nagrodą Nobla.

Tradycyjnie wyróżnia się 3 stany skupienia materii: stan gazowy, ciekły i stały. Możliwość wystąpienia, nowej, nieznanej formy materii przewidział w 1924 roku Albert Einstein. Jego teoria przewidywała, że jeśli bardzo mocno schłodzi się chmurę gazu pod odpowiednio niskim ciśnieniem, to podzieli się ona na dwie frakcje: standardową, w której cząstki poruszają się chaotycznie w różnych kierunkach ze średnią prędkością zależną od temperatury, oraz na kondensat Bosego-Einsteina, utworzony z cząstek, które będą lewitować praktycznie nieruchomo.

Laboratorium Aarhus

Szklana kolba umieszczona wewnątrz pułapki magnetooptycznej. Widoczna wewnątrz kolby jasnoczerwona plama to chmura spułapkowanych atomów, w której formuje się kondensat Bosego-Einsteina. Wewnątrz tej kolby panuje ciśnienie miliard razy mniejsze niż ciśnienie atmosferyczne

fot. materiały prasowe Centrum Fizyki Teoretycznej PAN