Naukowcy z UW okiełznali zderzenia atomów
Czy możliwa jest kwantowa kontrola zderzeń atomów w temperaturach wyższych niż te bliskie zeru absolutnemu? Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego udowodnili, że tak. Ich odkrycie może zrewolucjonizować rozwój technologii kwantowych i poszerzyć granice naszego rozumienia fizyki materii.
W świecie fizyki kwantowej wiele zjawisk ujawnia się dopiero w ekstremalnych warunkach – na przykład w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu, czyli około -273°C. To właśnie tam, gdzie cząstki poruszają się niezwykle wolno, naukowcy mogą precyzyjnie sterować ich zachowaniem. Dotychczas wyłącznie w takich warunkach można było efektywnie kontrolować zderzenia między atomami.
Jak czytamy w informacji opublikowanej na stronie UW, najnowsze badania Maksa Walewskiego, dr. Matthew Frye’a i prof. Michała Tomzy z Wydziału Fizyki pokazują, że ta granica może być znacznie szersza. Swoimi obserwacjami naukowcy podzielili się na łamach czasopisma „Science Advances”.
Grupa badawcza prof. Michała Tomzy z Wydziału Fizyki UW, we współpracy z grupą doświadczalną prof. Roeego Ozeriego z izraelskiego Instytutu Naukowego Weizmanna, przyjrzała się zderzeniom atomów rubidu z jonami strontu w temperaturach znacznie wyższych niż tzw. „ultrazimne”. Co odkryli? Że nawet w „cieplejszych” warunkach da się zapanować nad wynikiem kwantowego zderzenia – i to z precyzją, jakiej nikt się wcześniej nie spodziewał.
Kluczem do tej kontroli są rezonanse Feshbacha – zjawiska kwantowe, które pozwalają manipulować interakcjami między cząstkami za pomocą pola magnetycznego. Choć w przypadku atomów i jonów ich użycie jest trudniejsze, m.in. z powodu wpływu pułapek elektromagnetycznych, badacze zdołali zidentyfikować niespodziewany porządek w zachowaniu zderzających się cząstek.
Maks Walewski, jeden z autorów publikacji w Science Advances, tłumaczy, że nawet przy wyższej energii – gdzie mechanika zderzeń staje się teoretycznie bardziej chaotyczna – udało się dostrzec reguły, które umożliwiają kontrolę nad tym, co się dzieje. Modele opracowane przez warszawskich fizyków nie tylko potwierdziły wyniki eksperymentów zespołu z Weizmanna, ale też zaproponowały nowe scenariusze, w których możliwe będzie precyzyjne sterowanie kolizjami atomów i jonów.
“Początkowo chcieliśmy tylko odtworzyć teoretycznie wyniki doświadczalne przy użyciu naszego modelu i zweryfikować stojące za nim założenia. Szybko jednak przekonaliśmy się, że nasze wyniki nie tylko zgadzają się z doświadczeniem, ale też wskazują na możliwość kontrolowania zderzeń w zaskakująco ciepłym środowisku” – powiedział dr Matthew D. Frye, współodpowiedzialny za badania teoretyczne.
Odkrycie to może mieć daleko idące konsekwencje. Dotychczas, aby zbudować stabilny komputer kwantowy, konieczne było schłodzenie układu niemal do zera absolutnego – co jest niezwykle kosztowne i technologicznie trudne. Teraz pojawia się szansa, że podobne efekty będzie można osiągać w wyższych temperaturach, co otwiera drogę do tańszych i bardziej dostępnych urządzeń kwantowych.
“Odkrycie może mieć znaczenie dla rozwoju technologii kwantowych, w których kontrolowane oddziaływania między atomami i jonami odgrywają kluczową rolę. Najbardziej zaawansowane obecnie komputery kwantowe wymagają schłodzenia atomów lub jonów do ultraniskich temperatur, dlatego każde podejście pozwalające na kontrolę kwantową w wyższych temperaturach może pomóc w opracowaniu bardziej wydajnych urządzeń kwantowych” – skomentował prof. Tomza.
Jak podkreśla prof. Tomza, to nie tylko duży krok dla fizyki eksperymentalnej i teoretycznej, ale też okazja do głębszego zrozumienia granicy pomiędzy światem kwantowym a klasycznym.
Wyniki badań współfinansowanych przez Unię Europejską, Narodowe Centrum Nauki, Polską Infrastrukturę Komputerów Dużej Mocy PLGrid i Izraelską Fundację Nauki mogą z czasem zaowocować nowymi technologiami i narzędziami przyszłości.
