Šaltieji atomai: kodėl verta sukurti šalčiausią debesėlį Visatoje?

Visur šalta, namie šalčiausia

1995 metais, pasinaudodami Čilėje esančiu 15 metų dydžio Swedish-ESO radioteleskopu, astronomai išmatavo Bumerango ūko temperatūrą. Dėl itin greito plėtimosi, ūką sudarančios dujos šąla sparčiau, nei jas šildo aplinkinių žvaigždžių ar reliktinio spinduliavimo bangos. Pasirodė, kad Bumerango ūko temperatūra yra 1 Kelvinas (−272 °C), t.y. vos vienu laipsniu aukštesnė už absoliutų nulį! Taigi, Bumerango ūkas yra šalčiausias gamtos objektas, toli užnugaryje palikęs žemiausią mūsų planetoje užregistruotą 184 K oro temperatūrą (-89,2 °C, Vostok stotis Antarktidoje, 1983 liepos 21 d.). Kad ir koks neįsivaizduojamai speigus atrodytų Bumerango ūkas (straipsnio autorius tikrai nenorėtų atsidurti tame ūke vienmarškinis, ir ne vien dėl šalčio), Žemės laboratorijose mokslininkai kasdien kuria nepalyginimai šaltesnius atomų debesėlius. Šiame straipsnyje kaip tik ir pristatysime šaltųjų atomų sistemas, kuriose pasiekiamos itin žemos, dešimčių nanokelvinų (nulis, kablelis, tada septyni nuliai ir tada vienetukas) temperatūros. Visgi, prieš detaliau aprašant šaltuosius atomus, verta pamąstyti apie šaltį.

Kas yra šaltis?

Temperatūrą galima suprasti kaip įvairų dalelių nerimastingumą: skraidymą, sukimąsį, virpėjimą. Liaudiškai tariant – sužadinimus, pasiskirsčiusius sistemos laisvės laipsniuose. Skysčiuose ar kietuose kūnuose šie sužadinimai įvairūs ir sudėtingi. Bet štai dujose, kur tarpai tarp dalelių dideli, temperatūrą galima suprasti maždaug kaip dalelių skraidymo greitį. Kuo dalelės greičiau skraido, tuo didesnė temperatūra. Pavyzdžiui, kambario temperatūros ore molekulės skraido maždaug pusantro karto greičiau už garsą, t.y., 1700 km/h greičiu! O štai šaltųjų atomų sistemose vidutinis dalelių judėjimo greitis yra vos keli milimetrai per sekundę. Autoriui geriausiai atomų atšaldymo nuo kambario temperatūros iki 10 nanokelvinų procesą padeda įsivaizduoti sraigės lėktuve vaizdinys. Kambario temperatūra – karinis lėktuvas F-16, kurio maksimalus greitis panašus į molekulių greitį ore. F-16 nusileidus, paaiškėja, kad jį pilotavo sraigė. Lėktuvo pilotė sėkmingai šliaužia į netoliese esančius oro uosto pastatus kelių milimetrų per sekundę greičiu. Taigi, atomas iš pradžių būna panašus į lėktuvą, tačiau šaldomas tolydžiai sulėtėja iki sraigės greičio.

Šaldyti verta

Kiekvienam entuziastingam mokslininkui akivaizdu, kad šaldyti atsitiktinius daiktus ir mėgautis rezultatais yra labai sveikintina veiklos strategija. Dar daugiau azarto atsiranda supratus, kad galima sumušti Visatos per milijardus metų pasiektus rekordus. Nors mušti šalčio rekordus ir aplenkti gamtą smagu, šaltų atomų sistemų gimimą ir neblėstantį populiarumą veikiausiai lemia kitos priežastys. Viena iš jų, kurią aptarsime išsamiau, – galimybė simuliuoti sudėtingas sistemas.

Gūdžiais 1982 metais žymus fizikas Richardas Feynmanas pasiūlė idėją, kad specializuoti kvantiniai kompiuteriai galėtų simuliuoti kvantinės mechanikos sistemas daug tiksliau (ir todėl greičiau) negu įprasti (klasikiniai) kompiuteriai. Šiame skyrelyje pabandysime paaiškinti, ką visa tai reiškia.

Simuliacija yra vienos sistemos, joje vykstančių procesų, atvaizdavimas, panaudojant kitą sistemą. Pavyzdžiui, priešgaisrinės pratybos padeda išsiaiškinti, maždaug kokiu greičiu žmonės paliks pastatą kilus gaisrui, nors pratybų metu joks pastatas nedega. Tai – gaisro situacijos simuliacija.

Sakydami „kvantinė simuliacija”, omeny turime panašų dalyką. Čia kai kurias sudėtingos kvantinės sistemos savybes (pavyzdžiui, kristalo gabalo elektrinį laidumą) galima išsiaiškinti, eksperimentiškai tiriant iš pažiūros visiškai nepanašų objektą – šaltų dujų debesėlį. Studijuoti gaisrą ar kristalą netiesiogiai kartais verta todėl, kad originalo studija būtų brangi, sudėtinga, o galbūt ir visai neįmanoma – niekas nenori supleškinti istorinio pastato vien tam, kad įsitikintų, jog panašus pastatas kitoje gatvės pusėje turi pakankamai avarinių išėjimų.

Kvantinės mechanikos sistemas simuliuoti naudinga dėl dviejų priežasčių. Visų pirma, gamta veikia pagal kvantinės mechanikos principus, tad viskas nuo gėlės iki metalo gabalo yra kvantinės mechanikos sistema. Iš kitos pusės, kam nors naudingos sistemos dažnai būna sudėtingos – jose daug sąveikaujančių dalelių, tad pieštuku ant popieriaus skiautės galima suskaičiuoti toli gražu ne visas įdomiausias sistemos savybes. Eksperimentiškai pagamintos sistemos dažnai nebūna idealios, turi įvairių priemaišų ar defektų. Kartais net neaišku, ar stebimi reiškiniai vyksta dėl bandinio prigimties, ar dėl jame esančių netobulumų. Todėl bandoma simuliuoti kompiuteriais.

Kompiuterinės simuliacijos

Vos atsiradus kompiuteriams, jie iškart buvo įdarbinti fizikinių sistemų simuliavimui. Tokių naudingų daiktų kaip taupūs automobiliai ar patikimi lėktuvai gamyba be kompiuterinių modelių dabar neįsivaizduojama. Deja, ne visos sistemos pasirodė lengvai perkandamos įprastiems kompiuteriams. Nors dabar fizikai ir inžinieriai neblogai išmano, kaip simuliuoti procesus, svarbius dideliems daiktams (pvz., kaip vėjas veikia automobilio kuro sąnaudas), bandant pažvelgti į mažesnius daiktus, viskas tampa ne taip paprasta. Pavyzdžiui, iki šiol nesuprantame, kodėl kai kurios medžiagos puikiai perduoda elektros srovę (superlaidininkai), o kitos – ne. Grubiai tariant, šių sunkumų priežastis ta, kad einant nuo didelių daiktų prie mažesnių, klasikinė mechanika veikia vis prasčiau, o skirtumai tarp klasikinio ir kvantinio sistemos aprašymo ryškėja. Klasikinių kompiuterių ribotumas simuliuojant kvantines sistemas aiškus jau vien iš to fakto, kad norint tiksliai aprašyti 300 dalelių sistemą, prireiks daugiau atminties bitų negu Visatoje yra atomų. O juk viename molyje bet kokios medžiagos yra ne šimtai, o Avogadro skaičius (6,0221·10²³, t.y. šešetas su dvidešimt trimis nuliais) dalelių!

Reziumuojant, net ir mažose sistemose dalelių tiek daug, kad jas simuliuoti klasikiniais kompiuteriais atrodo beviltiška. Teoretikas Feynmanas šią kliūtį pasiūlė įveikti, universalius (bet kokioms programoms vykdyti tinkamus) klasikinius kompiuterius pakeičiant specializuotais kvantiniais. Deja, ilgai nebuvo aišku, iš ko tą specializuotą kvantinį kompiuterį pasigaminti.

Kiaušininis simuliatorius

Sukonkretinkime uždavinį: pagalvokime apie vieną elektrinę savybę – laidumą. Medžiagų elektrines savybes lemia atomų ir elektronų elgsena, aprašoma kvantinės mechanikos dėsniais. Elektronai gyvena kristalinėje gardelėje – periodinėje struktūroje, kur šokinėja nuo vieno atomo prie kito. Šokinėdami, elektronai dar gali ir susitrenkti, nes jie vienas kitą veikia elektrostatinėmis jėgomis. Vadinasi, kvantinis kompiuterinis, skirtas medžiagų elektrinių savybių simuliacijai, turi laikyti savo daleles gardelėje, leisti joms šokinėti ir susitrenkti.