fizyka kwantowa
8

Światowy sukces polskich fizyków. Ich badania przyspieszą rozwój technologii kwantowych

Fizyka kwantowa jest stosunkowo młodą dziedziną nauki, która wciąż skrywa przed nami mnóstwo tajemnic. Ostatnio polskim naukowcom udało się poczynić spory postęp za sprawą badania skupionego wokół kondensatu Bosego-Einsteina.

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.

fizyka kwantowa

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

fizyka kwantowa

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.

fizyka kwantowa

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.

Co spowodowało, że zdecydowali się Państwo na podjęcie kariery naukowej? Co Państwa motywuje do dalszych badań?

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.

Do badań motywuje po prostu satysfakcja ze zrozumienia problemu, możliwość dyskursu naukowego z badaczami z całego świata. Poczucie, że robi się coś potrzebnego i eleganckiego.

Jak Państwo zareagowali na uzyskane wyniki badań oraz pozytywną reakcję środowiska naukowego?

Byliśmy szczęśliwi i zaskoczeni. Mamy kilka różnych współprac z grupami doświadczalnymi. Rzadko kończy się to powodzeniem i też nie oczekiwaliśmy, że ten projekt, który wydawał się bardzo trudny doświadczalnie, ma szanse na sukces. Zresztą, pierwsze wyniki doświadczalne były obarczone olbrzymimi niepewnościami pomiarowymi. Tymczasem, już po trzech latach, teoria zgodziła się zadowalająco z doświadczeniem,

W jaki sposób Państwa osiągnięcie będzie mogło zostać wykorzystane?

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.

fizyka kwantowaOpis 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.

Na czym dokładnie polegał Państwa eksperyment?

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). Choć badania nad właściwościami kondensatu ciągle się rozwijają, nikomu dotychczas nie udało się zmierzyć jednej z jego podstawowych właściwości.  W badania, oprócz nas, byli zaangażowani także fizycy z Uniwersytetu w Aarhus w Danii i Uniwersytetu w Hanowerze w Niemczech – w sumie 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. Wspólnie opracowaliśmy 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 liczba ta fluktuuje.

To było wyzwanie nie tylko pod względem eksperymentalnym, ale także teoretycznym. Fizycy bowiem od dawna zastanawiali się nad tym, jakimi równaniami powinno się opisywać fluktuacje liczby atomów w kondensacie Bosego-Einsteina. Pytanie to pozostaje od lat otwarte, ponieważ nawet drobne zmiany w modelach teoretycznych prowadzą do zupełnie różnych wyników. Jednym z głównych problemów, nad którego rozwiązaniem wciąż pracują naukowcy, jest uwzględnienie w opisie teoretycznym zderzeń pomiędzy setkami tysięcy atomów tworzących kondensat. Używając metody pól klasycznych wykazaliśmy, że w zrealizowanym doświadczeniu wpływ zderzeń między atomami na uzyskiwane wyniki jest niezwykle mały. Pozwoliło to na bardzo precyzyjną analizę przeprowadzonych badań.

Co teraz jest Państwa obiektem badań?

Ciągle badamy fizykę zimnych atomów.

KP: Wraz z grupą doświadczalną z Uniwersytetu w Bazylei próbujemy wytworzyć kota Schroedingera w kondensacie Bosego-Einsteina. Kot, poza jego wielką rolą w popularyzacji, może być przydatny. Okazuje się, że stosując kondensat w takim stanie możnaby go wykorzystać do dokładniejszych pomiarów.

KP i KR: Drugi nurt naszych badań to zgłębianie fizyki  zimnych atomów będących jednocześnie magnesikami. Takie atomy dość mocno oddziałują ze sobą na odległość. To teraz niezwykle modna tematyka, gdyż znaleziono w tych układach kolejny stan materii, tzw. krople kwantowe. Ten postęp osiągnięto, dzięki wytworzeniu kondensatów Bosego-Einsteina w oparach erbu i dysprozu.

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.

Czy lepsze poznanie fizyki kwantowej pozwoli na zrewolucjonizowanie naszego życia?

Tak, zapewne tak. Dużo się mówi o komputerach kwantowych. Rzeczywiście jeśli takie w pełni funkcjonalne komputery powstaną, a żeby powstały ciągle potrzebne są badania podstawowe, to uzyskamy urządzenia, które „klasyczne” problemy optymalizacji rozwiążą w znacznie krótszym czasie niż obecne maszyny.  A przyda się to nie tylko rekinom finansowym i wielkim korporacjom, ale może pomóc w projektowaniu leków, rozpoznawaniu raka, czy zwiększeniu bezpieczeństwa na drodze. Ciężko teraz przewidzieć konsekwencje.

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

 

Czy młode osoby powinny zainteresować się bliżej tematem fizyki kwantowej?

Oczywiście.  Jesteśmy świadkami rewolucji kwantowej. Unia Europejska zdecydowała, że rozwój technologii kwantowej to najważniejszy cel do osiągnięcia w najbliższych latach. Na badania i biznes związany z tą rewolucją przeznaczono bilon euro. Związanie swojej przyszłości z mechaniką kwantową wydaje się dobrym pomysłem.

Ale jest drugi aspekt, może ważniejszy. Jest to po prostu fascynująca tematyka, pełna zagadek i zupełnie nieoczekiwanych rozwiązań. Kontakt z tą dziedziną przysporzy wielu satysfakcji.

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