Światowy sukces polskich fizyków. Ich badania przyspieszą rozwój technologii kwantowych

Osiągnięcie na skalę światową

Ostatnie badania naukowców z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk, pod kierunkiem profesora Kazimierza Rzążewskiego, poszerzyły wiedzę na temat kwantowych właściwości materii. Polscy fizycy brali udział wraz z zespołami z Danii i Niemiec w eksperymencie pomiaru fluktuacji liczby cząstek w kondensacie Bosego-Einsteina. Polski zespół odpowiadał za część teoretyczną projektu, natomiast eksperyment wykonano w Danii.

Na powyższym zdjęciu możecie zobaczyć szklaną kolbę umieszczoną 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.

Warto dodać, że artykuł opisujący osiągnięcie polskich badaczy został opublikowany w kwietniowym numerze czasopisma Physical Review Letters i został dodatkowo wyróżniony przez redakcję. Jednocześnie wyniki badań zostało bardzo pozytywnie przyjęte w środowisku naukowym. Jeden z recenzentów publikacji określił cały eksperyment mianem tour de force.

Przeczytaj również: Co to komputer kwantowy?

Co sprawdzono w eksperymencie i jak zostanie to wykorzystane?

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 (fluktuacjom). Do tej pory jeszcze nikomu nie udało się zmierzyć jednej z jego podstawowych właściwości, a opisywanemu tu zespołowi udało się opracować unikalne metody przygotowania chmury atomów, z ustaloną liczbą cząstek, z precyzją sięgającą dziesiątych części procenta. Dzięki temu możliwe stało się wielokrotne dokładne zmierzenie liczby atomów tworzących kondensat i określenie, jak ta liczba fluktuuje. Dotychczas wielką zagadką stanowiło opracowanie równania, które będzie to opisywać. 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.

Badania związane z tym obszarem 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.

Realizacja tego prekursorskiego projektu trwała ponad trzy lata (2016-2019). W badania,
oprócz Polaków, zaangażowani byli także fizycy z Uniwersytetu w Aarhus w Danii i Uniwersytetu w Hanowerze w Niemczech. Łącznie było tam 10 naukowców. Projektem kierował prof. Jan Arlt z Danii, który zajmuje się badaniem kwantowych własności gazów schłodzonych do ultraniskich temperatur. To właśnie w jego laboratorium na Uniwersytecie Aarhus uzyskano wynik doświadczalny.

Wywiad z Kazimierzem Rzążewskim i Krzysztofem Pawłowskim, naukowcami z Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie

Kazimierz Rzążewski - fizyk, profesor i były dyrektor Centrum Fizyki Teoretycznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. W swojej pracy badawczej zajmuje się mechaniką i optyką kwantową oraz fizyką statystyczną gazów kwantowych, a także teorią systemów wyborczych. Laureat m.in. Nagrody Fundacji Humboldta, medalu Galileusza przyznanego przez Międzynarodową Komisję Optyki, doktor honoris causa Uniwersytetu Stuttgarckiego w Niemczech. W 2015 za odkrycie zjawiska magnetostrykcji w ultrazimnych gazach z oddziaływaniem dipolowym otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej. Jest autorem ponad 200 publikacji naukowych.

Krzysztof Pawłowski - fizyk, od roku pracuje w Centrum Fizyki Teoretycznej PAN. Zajmuje się tworzeniem stanów splątanych, jak np. kot Schrodingera, w ultrazimnych gazach. Doktoryzował się na UKSW. Następnie zrealizował dwa staże podoktorskie, najpierw na Uniwersytecie w Stuttgarcie, potem w Paryżu w prestiżowym Ecole Normale Superieure. Autor licznych artykułów naukowych oraz popularnonaukowych, wykładowca w studium doktoranckim Instytutu Fizyki PAN oraz na Politechnice Warszawskiej.

?

Kazimierz Rzążewski: Moje decyzje podejmowałem w czasach głębokiej komuny. Przedmioty ścisłe szły mi znakomicie. Głównie matematyka i fizyka. Wybór fizyki, a nie kariery inżyniera wiąże się z uświadomieniem sobie, że przed dobrymi fizykami jest otwarty cały świat. A tego świata byłem bardzo ciekaw.

Krzysztof Pawłowski: Chyba były dwa momenty, które zaważyły na takim wyborze. Jako kilkuletni dzieciak spotkałem wujka z Ameryki. „Profesora”, naukowca z NASA, podbijającego kosmos, a potem walczącego z rakiem. To robiło na mnie wrażenie – wtedy myślałem, że cały świat był przed nim, bo robi coś ważnego. Drugi moment to pewnie pierwszy sukces w konkursie Kangur, kiedy odkryłem, że mam smykałkę do matematyki. Więc w naukę zostałem wciągnięty przez konkursy.

.

?

,

?

.

Opis zdjęcia: 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.

?

.

.

?

.

.

Kolejną tematyką, którą teraz się zajmujemy jest teoria wielu-ciał i jej związku ze światem klasycznym. To jak świat klasyczny, albo jak mechanika falowa, wyłania się ze świata cząstek, jest dość klasycznym, „starym” problemem. Rozwój komputerów oraz algorytmów umożliwia teraz postęp w tych dziedzinach.

?

.

Równie ważne jest dla mnie polepszenie urządzeń pomiarowych, poprzez użycie kwantowych korelacji. Nowe generacje detektorów są niezbędne do pogłębiania wiedzy, do odkrycia natury ciemnej materii czy zrozumienia kwantowej grawitacji. Nowe detektory to często dostęp do nowych zjawisk, testowania nowych hipotez i teorii.

 

 

?

.

Fizyka kwantowa na fali

Ten sukces naukowców udowadnia, że nauka stanowi najważniejszy element rozwoju nowych technologii i czeka nas jeszcze wiele przełomowych odkryć. Nie pozostaje nic innego, jak kibicować naukowcom i samemu spróbować swoich sił na ścieżce naukowej.

źródło: materiały prasowe Centrum Fizyki Teoretycznej PAN