#87 101 Lat Mechaniki Kwantowej, czyli Czy Heisenberg Przewraca się w Grobie

 

0.Wstęp

Dzień dobry! Niekoniecznie dla wszystkich, bo jak wiadomo wielu z nas musi rano wstać do pracy. Właściwie, chyba wszyscy… Nie licząc przedszkolaków, bo te od rana do wieczora się bawią. Ale czy fizyka kwantowa jest odpowiednim tematem dla dzieci? Cóż, dla ich zdrowia psychicznego polecałbym Spider-Mana :)

Dziś o nowinkach na 101-lecie fizyki kwantowej. Czyli - jak daleko doszliśmy w rozumieniu kwantów i, przede wszystkim, do czego mogą nam one posłużyć. Przyznam, że wolę bardziej teoretyczne tematy, no ale cóż. Nie samą teorią człowiek żyje. Zapraszam na słuchowisko, to jest czytańsko.

1. Jak zrodziły się kwanty i ogólne wprowadzenie w temat.

Sto lat temu na cichej, skalistej wyspie, niemiecki fizyk Werner Heisenberg pomógł wprawić w ruch szereg naukowych rozwiązań, które poruszyły całą fizyką. Heisenberg opracował tam podstawy mechaniki kwantowej. W tamtym czasie, mechanika kwantowa była tylko szeregiem ciekawostek i pomysłów w fizyce w skali atomowej.

W czerwcu 1925 roku, 23 letni Heisenberg zadomowił się na wyspie Helgoland, aby szukać wytchnienia od przewlekłego kataru siennego. Dzięki morskiej bryzie, wyspa, znajdująca się 60 kilometrów od wybrzeża Niemiec, była rajem dla leczących się na różnorakie choroby. Okazało się, że jest także miejscem, w którym bez rozproszeń można było rozważać nad właściwościami atomów.

Wcześnie rano, Heisenberg doznał olśnienia. 'Miałem uczucie, jakbym, poprzez powierzchnię zjawisk atomowych, patrzył na niezwykłe wnętrze, piękne i dziwne. Poczułem natychmiast, że muszę zbadać to bogactwo struktur matematycznych, które natura w tak bogaty sposób mi przedstawiła' - powiedział później. 'Byłem zbyt podekscytowany by spać i gdy nastał nowy dzień, wybrałem się na południowy kraniec wyspy, gdzie wcześniej chciałem wspiąć się na skałę wrzynającą się w morze. Dziś bez problemu zrealizowałem swoje zamiary i czekałem, aż wzejdzie Słońce.'

Wszedł na skałę, pewnie spoglądał z podniesionym czołem i wypiętą piersią na wschodzące Słońce. Cóż za widok! Godny odkrycia fizyki kwantowej.

Fizycy patrzą dziś na nową kwantową erę. Prace Heisenberga i współczesnych mu naukowców zmieniły pojęcie fizyków o materii. Poprowadziły naukę do odkrycia nowych technologii, bazując na tych doświadczeniach. Dziś jesteśmy świadkami drugiej rewolucji kwantowej, jak niektórzy nazywają obecne badania. Włącza się w nią nowe spojrzenie nowy poziom kontroli nad systemami kwantowymi. Naukowcy odtwarzają je od samych podstaw, naginając do swojej woli i budując je według uznania. To wszystko, aby odkryć nowe sekrety wszechświata, a ku temu potrzebne jest zaprzęgnięcie do owych zadań najnowszych technologii.

Ta rewolucja jest wspólnym wysiłkiem fizyków na całym świecie, rozpoczynana z rożnych miejsc granic teorii kwantów. Podobnie jak pierwsza rewolucja kwantowa, nie jest to show w wykonaniu jednej osoby. Romantyczny zapis odkryć Heisenberga to tylko wierzchołek góry lodowej odkryć, które były udziałem innych naukowców, a które dały początek mechanice kwantowej.

Kiedy Heisenberg wrócił z Helgoland, rozpoczął dyskusje na temat sowich odkryć z innymi fizykami, zanim opublikował swoje prace w lipcu. Później, Max Born i Pascual Jordna stworzyli efekt krystalizacji matematycznej w pracy opublikowanej w sierpniu. W następnej także, już z udziałem Heisenberga w listopadzie. A Erwin Schroedinger opublikował swoją wielce wpływową oprawę kwantów w 1926, która potwierdziła matematycznie metodę Heisenberga.

Wpływ, jaki teoria kwantów ma na fizykę, jest nie do przecenienia. Carlo Rovelli z Centre de Physique Theorique z Uniwersyetu Aix-Marseille we we Francji mówi:'Teoria ta została odkryta, rozwinięta i zastosowana do wielkiej ilości zjawisk i reprezentuje nasze obecne rozumienie fizycznej rzeczywistości. Opisuje zjawiska począwszy od podstaw chemii do koloru obiektów, od procesów, które leżą u postaw natury światła do formacji galaktyk'.

Galaktyki galaktykami, dla nas ważniejsze jest oglądanie rolek na fb. Bez fizyki kwantowej nie obejrzałoby się!

Mechanika kwantowa jest również podstawą niezliczonych rodzajów technologii, włączając lasery, tranzystory - niezbędne w budowie np. smartfonów i innych urządzeń związanych z miniaturyzowaną elektroniką. Jest podstawą budowy np. paneli słonecznych, lamp LED, MRI (rezonans magnetyczny), zegarów atomowych oraz sprawia, że możliwa jest nawigacja GPS.

2. Superpozycja i splątanie kwantowe.

W mechanice kwantowej właściwości cząstek, takie jak: pozycja, prędkość i inne, są opisane przez prawdopodobieństwa, nie pewności. Dlatego cząstka może znajdować się w bardzo dziwnym stanie, znanym jako superpozycja. Na przykład, cząstka ma szansę bycia znalezioną w jednej bądź drugiej lokacji. Jest to sytuacja, o której moi się kolokwialnie, że cząstka jest w dwóch miejscach jednocześnie. Także słynny Kot Schroedingera może być żywy i martwy jednocześnie, w znanym eksperymencie myślowym. Znajduje się w superpozycji stanów żywego i martwego.

Splątanie to inna właściwość, która przysparza o ból głowy. Losy dwóch cząstek są splątane, ich właściwości są skorelowane z sposób niemożliwy dl klasycznej fizyki. Zmierzenie stanu jednej cząstki z pary splątanej odsłania stan tej drugiej, nawet, jeśli sa odseparowane na dalekie odległości.

Poprzez umiejętnym manipulowaniem superpozycją i splątaniem, fizycy budują techniki potrzebne do zbudowania takich struktur jak komputery kwantowe. Pozwalają na nowego rodzaju obliczenia, które są nieosiągalne dla standardowych, klasycznych komputerów. Podobnie, kwantowe czujniki pozwalają na nowego rodzaju pomiary, a sieci komunikacji kwantowej zapewniają bardziej bezpieczne sposoby na przenoszenie informacji.

Ta rewolucja zbliża naukowców do wielkiej niewiadomej fizyki kwantowej: czy istnieje fundamentalna granica, do której zjawiska kwantowe mogą występować? A jeśli tak, gdzie przebiega granica między światem kwantowym a klasycznym? Bada się także, jak mechanika kwantowa może łączyć się z teorią Einsteina - teorią grawitacji.

Im większy jest obiekt, tym trudniej zachować w nim własności kwantowe. Interakcje z otoczeniem mogą naruszyć delikatna własność jaką jest kwantowość. Mogą także spowodować, że własności kwantowe zostaną przeniesione do naszej rzeczywistości, świata codziennych doświadczeń... Ulepszone techniki izolacji większych obiektów pozwoliły badaczom na skalowanie. Dzieje się to w przypadku nawet linii granicznej obiektów makroskopowych. Niektórzy uważają, że istnieje pewna stała granica, do której można powiększać obiekty i pozostawić w nich kwantowość. Inni zaś twierdzą, że można je skalować w nieskończoność. Niedawno na Uniwersytecie w Zurichu (2023) Yiwen Chu i współpracownicy umieścili wibrujący kryształek szafiru, o masie około polowy rzęsy, w stan superpozycji. Stan dotycz ruchu atomów kryształu. Okazało się, że zachowują się jakby poruszały się w dwóch kierunkach równocześnie.

Bada się podobne struktury, aby stworzyć nowe kwantowe czujniki oraz procesory. Można także testować fizykę fundamentalną na bazie podobnych doświadczeń. Bo pojawiają się pytania - czy mechanika kwantowa ma swoje zastosowanie do makroskopowych obiektów z codziennego życia? Pokazano na przykładzie kryształów szafiru, że takie obiekty mogą w zasadzie zachowywać się kwantowomechanicznie Ale jak daleko można przesuwać granicę? Czy dojdziemy kiedyś do rozmiaru kota? Z rzęsą się udało, może kolej na króla Internetu? Ale prawdziwym wyzwaniem byłoby ujrzenie czegoś naprawdę skomplikowanego i odpowiednio dużego.

Dojdziemy na pewno, do dużego i skomplikowanego kota ;)

Takie urządzenia i detektory mogą zostać również użyte do pomiaru grawitacji i innych sił. Jeśli fala grawitacyjna uderzyłaby w obiekt makroskopowy o właściwościach kwantowych, odczułby on wibracje. Okazałoby się, ze potrafimy wykryć fale grawitacyjne o o wiele większej częstotliwości niż te w LIGO (Laser Interferometr Gravitational Observatory). Kwantowe urządzenia o wysokiej skali mogłyby również pokazać, jak mechanika kwantowa wchodzi w interakcje z teorią względności. Te dwie teorie są niekompatybilne ze sobą; rozwiązanie tego konfliktu mogłoby umniejszyć wielu problemów, z jakimi borykają się dziś fizycy. Jeden z naukowców, Vlatko Vedral z Uniwersytetu w Oksfordzie, ma propozycję dotyczącą wykrycia efektów kwantowej grawitacji. Wymagałoby to stworzenia zależności superpozycji z obiektem o wystarczającej masie. Masa ta byłaby zdolna do wprawienia drugiego obiektu w stan superpozycji. Sprawiłoby to, że dwa obiekty stałyby się splątane, wyłącznie za pomocą efektów grawitacyjnych. Można by stwierdzić na podstawie takiej relacji, czy grawitacja jest kwantowa. Vedral uważa, że przeciągu 10 lat od rozpoczęcia testowania kwantowej grawitacji naruszymy zasadę względności Einsteina. Uważa, że grawitacja jest kwantowa. Ale jego pogląd stoi w sprzeczności z oceną wielu obserwatorów konserwatywnych. Owocuje to niemałym konfliktem w światku fizyków. Mechanika kwantowa i teoria względności święciły tryumfy w przeciągu ostatnich 100 lat. Bardzo ekscytujące może okazać się przetestowanie, która z nich przeważy. Aby dokonać pomiaru kwantowej grawitacji, potrzeba obiektu o własnościach kwantowych o masie nanongrama. To osiągalne, ale czy kalkulacje fizyków są prawidłowe? Czy nie potrzeba raczej 15 kilogramowego prętu z berylu, jak sugerowałem w poprzednim temacie? Cóż rozbieżność jest duża, tylko sam Schroedinger i Einstein mogą teraz to wiedzieć, jako że fruwają z aniołkami. Z góry lepiej widać ;)

3. Termodynamika Kwantowa.

Nie tylko grawitacja została poddana obróbce kwantowej. Podobnie jest z termodynamiką, dziedziną, która zajmuje się silnikami, ciepłem i entropią, miarą nieporządku. Badania nad termodynamiką kwantową mogłyby sprawić, że silniki zyskałyby większą wydajność poprzez zaprzęgnięcie do nich zdobyczy mechaniki kwantowej. Marcus Huber pracuje na tym polu, jak również bada dziedzinę kwantowej komunikacji. Technika ta używa zasad kwantowych do bezpiecznego przesyłania informacji. Ma to ma miejsce już nawet poza laboratoriami fizycznymi. Huber mówi: 'Fizyka kwantowa znajduje się obecnie w stanie dość szczególnym. Z jednej strony, jest do niej coraz większy dostęp, a to wiąże się komercyjnym potencjałem technologii kwantowej. Z drugiej strony, idzie za tym bańka spekulacyjna dotycząca np. komputerów kwantowych i kryptografii kwantowej, co nie sprzyja rozwojowi badań. Dochodzi także aspekt geopolityczny, gdy nagle technologie kwantowe uważa się za kwestię bezpieczeństwa narodowego. Zamiast oglądać naukowców badających granice systemów kwantowych, rozpoczyna się wojna o wpływy geopolityczne i zaprzęganie nauki do polityki.

Jakie są zaś praktyczne pola, na których można stosować mechanikę kwantową? Może okazać się, że będzie ona przydatna w dla precyzyjności pomiarów. Oznacza to bardziej czułe sensory, dokładniejsze zegary atomowe. Potem dochodzi kwantowa komunikacja, bezpieczeństwo danych i prywatności. Już dziś możemy zapewnić bezpieczeństwo przeniesienia informacji w sposób bezpieczny między dowolnymi dwoma punktami. Jeśli nawet owa możliwość stosuje się do dzisiejszych, klasycznych urządzeń, dodatkowe bezpieczeństwo to gra warta świeczki. Może wynikać ono z implementacji mechaniki kwantowej do systemów bezpieczeństwa. Może także oznaczać większą skuteczność przed atakami, które mają bardzo sprecyzowany cel.

Np. można pomyśleć o dronie strzelającym działem fotonowym. Albo grawitonowym. A co, myśleliście, że po co szukają grawitonów? Dla fajniejszych dział.

Jedną z wielu zagadek jest termodynamiczna strzałka czasu. Jakie są limity pomiaru czasu? Strzałka czasu, ten stary koncept, mówi nam, że można mierzyć czas poprzez zwiększanie entropii wszechświata. Z klasycznego punktu widzenia, istnieje bardzo dokładna relacja między precyzyjnością zegara a ilością entropii, jaką należy rozproszyć, a by ten był dokładniejszy. Dotarliśmy do fundamentalnego pytania: jaki jest ogólny koszt, mierzony w entropii, tykania zegara? Czyli, ile samo tykanie zegara wpływa na pomiar upływu czasu... Dzięki technologii kwantowej możemy zbudować bardzo energooszczędne, a co za tym idzie, dokładniejsze zegary.

4. Biologia i kwanty? A dlaczego nie?

Fizyk Clarice Aiello odnajduje się w misji, aby przyznać biologii prawo do korzystania z dobrodziejstw mechaniki kwantowej. Pomysł, że efekty kwantowe są ważne dla istot żywych, zrodził się na kanwie pewnych zjawisk. Jest to fotosynteza oraz zmysł magnetyczny ptaków. Ale Aiello z Instytutu biologii Kwantowej w Los Angeles ma inne pomysły: uważa, że należałoby rozpatrzeć, jak słabe przecież pole magnetyczne Ziemi wpływa organizmy żywe. Biorąc dodatkowo pod uwagę mechanikę kwantową okazuje się, że klasyczne metody nie pozwalają na wytłumaczenie związku miedzy magnetyzmem Ziemi a żyjącymi istotami.

Kwantowe ptaki. Pomyślcie, jakie one są mądre: stosują mechanikę kwantową do lokalizacji. A my? Bez smartfona i GPS gubimy się w lesie w 5 minut.

Mówi, że można wytłumaczyć te efekty na bazie pomysłu o nazwie superpozycji spinu elektronu. Kwantowa właściwość spinu powoduje, że elektron zachowuje się jak mały magnes. Jeśli orientacja magnesu znajduje się w superpozycji kierunków, mogłoby to spowodować wystąpienie reakcji chemicznych. Reakcji wrażliwych na pola magnetyczne o słabym natężeniu. Jeśli pola magnetyczne w biologii mogą być wyjaśnione za pomocą superpozycji spinu elektronu, nasuwa się pewien wniosek. Superpozycję w komórkach zachowują się tak długo, aby być funkcjonalnymi. Im mniejsze pole, które chcemy wyczuć, tym dłużej superpozycja spinu elektronu powinna występować. Na przykład, aby wyczuć pole magnetyczne Ziemi, potrzeba 750 nanosekund trwania superpozycji. Jak mógłby wyglądać eksperyment potwierdzający te występowanie tej właściwości w komórkach? Można wziąć pod lupę przykładową komórkę w temperaturze pokojowej. Potem nauczyć się, jak wpływać na spiny w określonych białkach i mierzyć, jak długo trwałaby superpozycja. Mozna owo zagadnienie rozpatrzeć np. na przykładzie komórki kijanki. Jeśli zmierzona wartość długości trwania superpozycji w jej komórkach trwałaby około 100 nanosekund, to prawdopodobnie kijanka nie wykrywa pola magnetycznego bazując na superpozycji spinu elektronowego. Jeśli trwałaby (oczywiście nie kijanka) około 2 mikrosekund, oznaczałoby to, że kijanka wykrywa pole magnetyczne Ziemi w oczekiwany w badaniu sposób. Do tej pory udało się zaobserwować zjawisko wykrywania pola magnetycznego Ziemi za pomocą superpozycji spinu elektronowego przez muchy, dżdżownice, bakterie. Niekoniecznie musi chodzić o żaby, jak pragnęłoby to widzieć wielu obserwatorów. Ale ważny jest fakt, że istnieje zbieżność interesów i zakresów działania między mechaniką kwantową a biologią.

4. Komputery kwantowe... Melodia przyszłości (a może przyszłość jest już dziś?)

Komputery kwantowe zbierają chyba największe laury w popularności efektów kwantowych. Działają na bazie kwantowych bitów, kubitów. Te jednostki mogą zostać zrobione z małej ilości silikonu, jak również z pojedynczych atomów. Przeprowadzają obliczenia tak jak standardowe bity w klasycznych komputerach, ale są zaprojektowane za pomocą reguł mechaniki kwantowej. Kubity są tak czułe, że są bardzo podatne na błędy. Obietnica domowych komputerów kwantowych spoczywa na umiejętności radzenia sobie z tymi błędami. Technika zwana kwantową korekcją błędów łączy podatne na wielokrotne błędy kubity w bardziej rzetelne, logiczne kubity. Ostatnio zaprezentowano wydarzenie, które może okazać się kamieniem milowym dla informatyki kwantowej. Wypowiada się Barbara Terha z QuTech w Delft w Holandii.

'Potrzebujemy poprawienia błędów, aby w ogóle móc myśleć o kwantowy komputerze. To, co mamy obecnie w laboratoriach, nie można nazwać jeszcze w pełni sprawnymi komputerami. Komputer to urządzenie, które bezproblemowo rozwiązuje zadania oparte na dużych liczbach, itd. Aby myśleć o zastosowaniu komputerów kwantowych na dużą skalę, potrzebujemy korekcji błędów. Ale to nie wszystko. Korekcja błędów mówi nam coś fundamentalnego o naszym rozumieniu fizyki. Jeśli moglibyśmy bardzo dokładnie kontrolować systemy kwantowe, moglibyśmy zaobserwować kwantowe działanie w makroskopowych obiektach. Przecież logiczne kubity do takich należą. A pracują one w oparciu o mechanikę kwantową. W jakim sensie logiczne kubity są makroskopowe? Duże obiekty mają dużo stopni swobody, mają wiele możliwości, aby przejawiać określone właściwości: pęd, wagę, czy kierunek poruszania się. Na przykładzie kota Schroedingera widzimy, że obiekt makroskopowy składa się wielu atomów. My próbujemy stworzyć takie urządzenie, które ma wiele stopni swobody, ale każdy fizyczny kubit jest ścisłe kontrolowany i monitorowany pod względem błędów. W tym sensie, uzyskujemy kwantowe właściwości dla obiektów makroskopowych.

Tu nie chodzi wyłącznie o rozmiar. Bo przecież koty mogą być także malutkie ;)

Właśnie dla takich kotów przewidziana jest mechanika kwantowa. Jeśli ptak może operować kwantowomechanicznym magnetyzmem, pomyślcie, co może zrobić kot. Nie tylko Schroedingera.