Zastosowanie zasad mechaniki kwantowej do układów złożonych
Mechanika kwantowa opisuje zadziwiające właściwości naturalnych zjawisk w skali mikroskopowej. Naukowcom udało się na przykład wykazać, że cząstka może być w stanie superpozycji, czyli znajdować się w dwóch stanach w tym samym czasie. „W praktyce oznacza to, że cząstka – na przykład elektron – może w pewien sposób znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie”, wyjaśnia koordynator projektu TEQ Angelo Bassi z Uniwersytetu w Trieście we Włoszech. „Dokładniej rzecz ujmując, dotyczy to funkcji falowej opisującej cząstkę. Podobnie jak fale w oceanie, te matematyczne fale rozdzielają się, a kiedy ponownie się łączą, zakłócają się wzajemnie. Z tych zakłóceń naukowcy mogą wywnioskować, że w pewnym momencie zostały one rozdzielone, a następnie ponownie połączone”.
Pytania dotyczące teorii kwantowej
Naukowcy są więc przekonani, że cząstki elementarne, atomy, a nawet niektóre bardziej złożone cząsteczki mogą istnieć w tym stanie kwantowym. Co się jednak dzieje, gdy przechodzimy do jeszcze większych, bardziej złożonych układów? Czy ludzie też mogą istnieć w stanie kwantowym? A jeśli nie, to dlaczego? „Teoria kwantowa sugeruje, że jest to możliwe”, twierdzi Bassi. „Kluczowe pytanie brzmi zatem – czy istnieje pewien punkt, w którym mechanika kwantowa przestaje działać?” Pytanie to dotyczy w pewnym stopniu słynnego kota Schrödingera – eksperymentu myślowego, w którym hipotetyczny niewidoczny kot może być uznany jednocześnie za żywego i martwego w wyniku działania, które mogło, ale nie musiało się wydarzyć.
Załamanie funkcji falowej
Próba znalezienia odpowiedzi na te pytania podjęta przez badaczy skupionych wokół projektu TEQ wymagała wyjścia poza obecny stan wiedzy w zakresie eksperymentów kwantowych. Fizycy kwantowi mają tendencję do sprawdzania, czy odizolowana cząstka wykazuje wspomniany wyżej rodzaj zakłóceń fal. Jeśli wystąpi interferencja, wówczas badacze mogą wywnioskować, że cząstka znalazła się w superpozycji. „Większym wyzwaniem jest osiągnięcie tego stanu w przypadku coraz bardziej złożonych układów”, zauważa Bassi. „Z technologicznego punktu widzenia bardzo trudno jest stworzyć i kontrolować superpozycję poprzez izolację wszystkich otaczających zakłóceń” Aby temu zaradzić, badacze skupieni wokół projektu TEQ zastosowali nowatorską strategię. Wykorzystali w tym celu modele zjawiska nazywanego spontanicznym załamaniem funkcji falowej, aby na ich podstawie przewidywać moment, w którym mechanika kwantowa przestaje działać. Ta koncepcja zakłada, że podczas załamania superpozycji powstaje pewien rodzaj szumu lub zakłóceń. „Zamiast poszukiwać superpozycji, opracowaliśmy nowe doświadczenie, które pozwala nam na wykrywanie tego szumu”, opowiada Bassi. Aby to zrobić, zespół projektowy uwięził schłodzone nanokryształy i manipulował nimi, aby wykryć najmniejszy ruch. Wykrycie ruchu oznacza w tym przypadku wystąpienie szumu.
Pomiar grawitacji kwantowej
Kluczowym sukcesem projektu TEQ było wykazanie, że taki eksperyment jest możliwy do przeprowadzenia. Otworzyło to drzwi do nowych i ekscytujących możliwości w zakresie eksperymentów kwantowych. „W przyszłości zamierzamy kontynuować pomiary tego szumu i poprawiać czułość eksperymentu”, zauważa badacz. „Dzięki temu będziemy mogli analizować szumy pochodzące z coraz słabszych sygnałów”. Naukowcy zakładają, że w doświadczeniu można wykorzystywać większe i bardziej złożone systemy, co pozwoli na zredukowanie przepaści między światem mikro i makro. Zespół projektu TEQ wykazał również niezwykłą czułość swojej kwantowej innowacji. Dzięki temu ich prace mogą przyczynić się do opracowania nowych doświadczeń związanych z pomiarem zjawisk dotyczących grawitacji. „Wiemy bardzo niewiele na temat zachowania grawitacji w prawdziwym stanie kwantowym”, opisuje Bassi. „Grawitacja jest w rzeczywistości bardzo słabym oddziaływaniem, a do jej pomiaru potrzebny jest wyjątkowo dobry czujnik. Jesteśmy bardzo zainteresowani zastosowaniem naszego czujnika do poszukiwania odpowiedzi na pytania związane z grawitacją”.
Słowa kluczowe
TEQ, mechanika kwantowa, mikroskopowe, grawitacja, elektron, atom, superpozycja