Kiedy kwantowe stanie się klasyczne?

Świat kwantowy od świata klasycznego dzieli ilość obserwowanych cząsteczek; jeżeli jest ich zbyt wiele, od razu mamy do czynienia z klasyczną interpretacją ich zachowania. Pytanie brzmi: gdzie leży granica pomiędzy obydwoma światami?

W klasycznym świecie zachodzi ciekawa interakcja pomiędzy światłem (falami elektromagnetycznymi) i materią. Światło oddziałuje na materię, ale odwrotny wpływ jest inny – znacznie słabszy. Kiedy mamy do czynienia z dużą ilością cząstek kwantowych – to jest to świat klasyczny, jeśli „uwięzimy” światło w pudełku – to również jest to klasyczne, ale jeśli to światło i tę materię mocno splączemy ze sobą – powstaje świat kwantowy. Okazuje się, że jeśli setki milionów elektronów płynnego helu zwiąże się z mikrofalami elektromagnetycznymi, to w zachowaniu obydwu następuje wyraźna zmiana.

Zbudowanie modelu zachowania pary: światło-materia, oznacza, iż mamy do czynienia ze światem klasycznym, z kolei możliwość wprowadzenie do tego modelu qubitów z powrotem przenosi parę światło-materia do świata kwantowego. 

Ruch w temperaturze zera Kelvina

Oryginalny i rzadki stan materii, zwany: kwantową cieczą spinową, został empirycznie zaprezentowany w monokryształach tlenku złożonego z wapnia i chromu. Według tradycyjnego rozumienia, kwantowa ciecz spinowa nie ma prawa występować w tym materiale.

Na podstawie naszego codziennego doświadczenia, w niskich temperaturach oczekujemy materii  zamrożonej, z atomami w stałym regularnym układzie. Momenty magnetyczne, wynikające z spinów elektronów w atomach w materiałach magnetycznych, również są stale zorientowane – w miarę jak temperatura spada. Jednak istnieją pewne wyjątki.

W  kwantowej cieczy spinowej orientacje spinów elektronów nie pozostają stałe nawet w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu. Według tradycyjnego rozumienia,  jeżeli interakcje są izotropowe (tzn. kiedy wszystkie kierunki spinu są możliwe), zjawisko to może wystąpić, gdy obroty są rozmieszczone w trójkątnej  geometrii i interakcje między nimi są antyferromagnetyczne sprzyjające przeciwrównoległemu wyrównaniu obrotów. Dla trzech atomów tworzących narożniki trójkąta: jeden atom musi być jednocześnie zorientowany antyrównolegle do  dwóch innych atomów - taki układ zapobiega przejściu atomów w stan spoczynku nawet w temperaturze bezwzględnego zera – zamiast tego atomy poruszają się jak w cieczy.

Pierwsze badane monokryształy tlenku wapnia chromu (Ca10Cr7O28) składają się z tak zwanych kratownic Kagome - przypominających wzorem trójkąty i sześciokąty znane z japońskich plecionych koszyków. W wyniku tego w materiale rozwija się złożony zestaw izotropowych oddziaływań magnetycznych, składający się z interakcji nie tylko przeciw-ferromagnetycznych, ale również znacznie silniejszych oddziaływań ferromagnetycznych, które zgodnie z konwencjonalnym zrozumieniem mają zapobiec istnieniu płynnego wirowania

Podróż z prędkością światła

W kwantowym świecie nieskończenie małych cząstek, dziwne zachowania często przeczą logice. Być może najdziwniejszym z nich jest idea superpozycji, w którym obiekty mogą istnieć jednocześnie w dwóch lub więcej stanach -  pozornie sprzecznie z intuicją. Na przykład, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, elektrony mogą obracać się zarówno w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, albo być w spoczynku i pobudzone - w tym samym czasie.

Od czasów Schroedingera – autora eksperymentu z jednocześnie martwym i żywym kotem, naukowcy udowodnili, że cząstki rzeczywiście mogą być w superpozycji na kwantowych, subatomowych skalach. Ale czy takie dziwne zjawiska można zaobserwować w naszym codziennym świecie?

Odkryto, że cząstki elementarne zwane neutrino mogą znajdować się w superpozycji, podczas podróży na dystansie setek mil.

Przeanalizowano dane dotyczące oscylacji cząstek neutrino-subatomowych, które bardzo słabo oddziałują z materią, przechodzących przez nasz organizm miliardy razy na sekundę bez żadnego efektu. Neutrina mogą oscylować lub zmieniać się w aspekcie kilku – tak zwanych – „smaków”; robią to podróżując z prędkością światła. Zmiana „smaku” (flavour) możliwa jest, gdyż podczas podróży neutrina nie mają żadnych cech indywidualnych: są w stanie superpozycji, bez smaku i tożsamości. W momencie pomiaru nabierają cech „osobowościowych”.

Co jednak, jeśli te cząstki nie tyle nie miału smaku, co wcielały się w wiele smaków jednocześnie? Były nie tyle duchami, co poruszały się zgodnie z punktem widzenia opartym na realizmie Einsteina.

Stanowi to punkt wyjścia do podróży makroskopowych. 

Budowa obwodów kwantowych

Kot Schrödingera utrzymuje się przy życiu w połowie - wyczyn ten może w zaskakujący sposób pomóc w budowie obwodów kwantowych.

Na szczęście, technika ta nie będzie opierać się na kocie, ale falach elektromagnetycznych, które mogą zachowywać się analogiczne do kota ze znanego eksperymentu myślowego Erwina Schrödingera.

Cząsteczki są zdolne do istnienia w superpozycji stanów lub w dwóch trybach jednocześnie. Foton, na przykład, może być jednocześnie spolaryzowany pionowo i poziomo. Ta superpozycja utrzymuje się, aż do pomiaru, w momencie którego foton wybiera jeden stan.

Schrödinger twierdził, że reguły kwantowe stosują się do świata makroskopowego: kot utknął w zamkniętym pudełku może być jednocześnie żywy i martwy jednocześnie - przynajmniej do momentu otwarcia pudła.

Normalnie, fale elektromagnetyczne zamknięte w pudle będą oscylować na podobieństwo wahadła: tam i z powrotem, ale jest możliwe wprowadzenie odwrotnej fali do owego pudła, co spowoduje powstanie „koto-podobnego” stanu – polegającego na „robieniu” dwóch wykluczających się rzeczy w tym samym czasie.

Eksperyment idzie o krok dalej:  przygotowano dwie wnęki z aluminium, w którym fotony mikrofali mogą podskakiwać. Potem połączono wnęki z kanałem: szafirowym nadprzewodzącym chipem i obwodem aluminiowym, przez który może podróżować sygnał elektryczny.

Pomyśl o tym chipie jak o przełączniku on-off. Gdy przełącznik jest na "on", a kanał jest otwarty, mikrofale wewnątrz będą oscylować w innej częstotliwości niż gdyby był przełączony na "off". Cechą świata kwantowego jest możliwość istnienia swoistego mostku, który łączy „on” z „off” – i wtedy dwie częstotliwości istnieją naraz.

Zasadniczo można zapytać: „Czy jesteś martwy, czy żywy?”, ale to nie dostarczy odpowiedzi na sedno problemu: czy mamy do czynienia z kwantową superpozycją, czy po prostu stworzyliśmy sytuację, kiedy jest 50 % szans na przeżycie.

Zamiast tego zadano pytanie, które ujawnia stan kota bez naruszania badanego układu. Zmierzono liczbę fotonów w polu, wiedząc, że stan kota wykonanego z fal elektromagnetycznych  zawsze składa się z parzystej liczby fotonów.

Kiedy mierzono oddzielnie dwa pudełka, a następnie sumowano, liczba zawsze była parzysta.

To pokazuje, że jeśli połączyć dwa pola, można otrzymać prawdziwy stanu kota Schrödingera.

Realny postęp tego eksperymentu polega na uświadomieniu sobie, iż splątane dwa pudła mogłyby być w rzeczywistości blokami komputera wykorzystującego właściwości superpozycji kwantowych do obliczeń w prędkością błyskawicy – „koto stany” byłyby reprezentowane przez qubity. 

Hilbert Hotel

W 1924 roku matematyk David Hilbert opisał hotel z nieskończoną liczbą pokoi, z których wszystkie są zajęte, ale mimo to: hotel nadal może pomieścić dodatkowych gości. Choć oczywiście nie ma takiej cegły i zaprawy, z której można by zbudować  tego typu hotel, to w nowym artykule, opublikowanym w Physical Review Letters, fizyk Václav Potoček proponuje budowę takiego miejsca przy użyciu wiązki światła.

W eksperymencie myślowym Hilberta dodatkowe pokoje mogą być tworzone w hotelu, który już ma nieskończoną liczbę pokoi, ponieważ menedżer hotelu może po prostu przemieszczać wszystkich obecnych gości do nowego pokoju zgodnie z jakąś regułą; przykładowo: przenosić wszystkich do pokoju o jeden numer wyżej (zostawiając pierwszy pokój pusty) lub przenosić wszystkich do pokoi o numerze dwukrotnie większym niż obecnie zajmowane (tworząc w ten sposób nieskończenie wielką liczbę pokoi pustych o numerach nieparzystych).

W swoim artykule zaproponował dwa sposoby budowy takiego hotelu: teoretyczny i eksperymentalny.

Propozycja teoretyczna wykorzystuje nieskończoną liczbę poziomów energetycznych cząstki w studni potencjału, a demonstracja eksperymentalna wykorzystuje nieskończoną liczbę orbitalnych kątowych stanów pędu światła.

Naukowcy wskazują, że mimo, iż początkowo występuje nieskończona liczba stanów, czyli pomieszczeń, amplitudy numerów pokojów (stanów) można odwzorować do dwukrotności ich pierwotnej wartości, tworząc nieskończoną liczbę dodatkowych stanów. Z jednej strony, zjawisko to jest sprzeczne z intuicją: podwajając nieskończoną ilość rzeczy, mamy nieskończenie wiele więcej z nich. A jednak to nadal ma sens, ponieważ suma wartości nieskończonej liczby rzeczy, w rzeczywistości może być skończona.

Na przykład: stan koherentny lasera składa się z nieskończonego zestawu stanów liczbowych, lecz traktując go jako liczbę fotonów zauważyć można następujące zjawisko: podczas gdy ich liczebność wzrasta w każdym ze stanów,  amplituda zmniejsza się, i pod koniec całkowita suma energii jest skończona.

Wykazano również, że odwzorowania można wykonać nie tylko przez podwojenie, ale także poprzez potrojenie itd. 

Przeszłość zależna od przyszłości

Fizycy teoretyczni, badający zachowanie ultra-zimnych atomów, odkryli nowe źródło tarcia, co stanowi odejście od stuletniego paradoksu.

Tarcie to dotyczy niektórych układów atomów w Kondensacie Bosego-Einsteina (BEC) - stanie kwantowym materii, w którym dopuszczalna jest niezerowa liczba cząstek w zerowej objętości przestrzeni pędów . W tym stanie, dobrze dostrojone pola magnetyczne mogą powodować, iż atomy będą przyciągać się –  nawet po kilka razem - tworząc pojedynczy kompozyt cząstki znany jako „soliton”.

Solitony pojawiają się w wielu dziedzinach fizyki i są wyjątkowo stabilne. Mogą swobodnie podróżować, bez utraty energii lub rozproszenia, pozwalając teoretykom traktować je jako obiekty nie-kwantowe. Solitony złożone z fotonów – zamiast atomów – są wykorzystywane do komunikacji za pośrednictwem światłowodów.

Badanie właściwości solitonów może być owocną ścieżką eksploracji – łączy dwa istotne obszary badań: tarcia i mechaniki kwantowej, jako już ugruntowanej, dobrze przetestowanej teorii.

Początkowo sądzono, iż tarcie w solitonach nie jest możliwe: zakładano taką sposobność, ale z punktu widzenia matematyki było to wykluczone.

Nowa siła tarcia, ujawniona w solitonach, bierze się z mechanizmu analogicznego do  promieniowania emitowanego przez elektron; konsekwencją tego jest to, że elektrony doznają siły tarcia, ponieważ są przyspieszane – w omawianym przypadku: emisja promieniowania elektronu zostaje zastąpiona absorpcją i emisję kwantowych quasi-cząstek.

W sercu tej siły tarcia kryje się jednak problem. Układając równania opisujące ruch solitonu, okazuje się, że ten ruch zależny jest od wydarzeń w przyszłości - wynik, który odwraca standardową koncepcję przyczynowości. Jest to sytuacja, która zadziwia fizyków od dziesięcioleci.

Zespół wytropił pochodzenie tych prognoz czasowych i obalił ów paradoks. Problem wynika z faktu, iż w obliczeniach przyjmowano, że siły tarcia zależne są tylko od aktualnego stanu solitonu. Jeżeli natomiast zależeć mają również od jego przeszłych trajektorii, paradoks znika. Tak więc, z punktu widzenia mechaniki kwantowej, przechowywana jest pamięć o ścieżce ruchu solitonu - zależność od historii solitonu prowadzi do prawie tych samych równań regulujących jego ruch, a równania te wciąż zawierają nowe tarcie

Praktyczne próby wykorzystania kwantowej informatyki

Zespół naukowców z Google, Uniwersytetu Kraju Basków, University of California i Ikerbasque - Baskijskiej Fundacji Nauki, opracował sposób na połączenie dwóch wiodących pomysłów na stworzenie komputera kwantowego w jednej maszynie.

Naukowcy naprawdę chcieliby dowiedzieć się, jak zbudować prawdziwy komputer kwantowy, który pozwoli na rozwiązywanie problemów nierozwiązywalnych dla maszyn konwencjonalnych. Ale niestety, idea takiego komputera funkcjonuje głównie na gruncie teoretycznym.

Aby przenieść niektóre z pomysłów z teorii do rzeczywistości, naukowcy zbudowali rzeczywistą maszynę – jej stworzenie oparte jest na dwóch najważniejszych podejściach do budowy komputera kwantowego.

Pierwsze podejście opiera się na modelu bram, w którym qubity są połączone ze sobą w celu utworzenia prymitywnego obwodu symulującego logiczną bramkę kwantową; każda bramka logiczna jest w stanie wykonać jeden konkretny rodzaj działania. Każda z bramek logicznych musi być zaprogramowana z wyprzedzeniem do wykonywania owych zadań.

Przy drugim podejściu qubity nie oddziałują ze sobą, lecz są utrzymywane w stanie podstawowym, gdzie następnie mogą ewoluować do systemu zdolnego do rozwiązywania danego problemu. Rezultatem jest tak zwana: maszyna adiabatyczna. Niestety, w tym podejściu nie ma możliwości, iż kiedykolwiek będzie możliwe korzystanie z pełnej mocy obliczeniowej oferowanej przez informatykę kwantową.

Stosując nowe podejście: naukowcy próbowali wykorzystać pozytywne cechy obu podejść tworząc maszynę,  będącą standardowym komputerem kwantowym, a następnie użyli jej do symulacji adiabatycznej maszyny. Wykorzystując 9 qubitów i ponad 1000 bramek logicznych, uzyskali efekt pozwalający na komunikację qubitów, które mogą być włączane i wyłączane w razie potrzeby.

Mechanika kwantowa może przyczynić się do rozwiązywania złożonych problemów w fizyce i chemii, o ile jest możliwe zaprogramowanie jej w urządzeniu fizycznym. W adiabatycznej informatyce kwantowej system powoli ewoluuje od stanu prostej funkcji Hamiltona do końcowego Hamiltonianu kodującego problem. Atrakcyjność tego podejścia polega na połączeniu prostoty i ogólności; w zasadzie każdy problem może być kodowany. W praktyce wnioski są ograniczone przez ograniczoną łączność, dostępność interakcji i zakłócenia.