2012 m. Nobelio premija fizikos srityje: kaip apčiuopti kvantines daleles?

Kuo ypatingi ir vertingi šie tyrimai, komentuoja Teorinės fizikos katedros profesorius Darius Abramavičius.

Esame įpratę prie mus supančių medžiagų ir dėl jų savybių prigimties nesukame per daug galvos, tačiau visos medžiagos iš esmės yra kvantiniai objektai. Mūsų stebimos medžiagų savybės – spalva, kietumas ir t. t. – yra netiesioginis įvairių kvantinių reiškinių padarinys.

Nuo pat kvantinės mechanikos atsiradimo XX a. pradžioje buvo bandoma suvokti, kaip ir kodėl kvantinės savybės yra tiesiogiai registruojamos atskiruose atomuose ar jų sankaupose – molekulėse, tačiau mums suvokiamoje aplinkoje to kvantiškumo nelieka. Teoriškai galima samprotauti, kad norint stebėti kvantines savybes reikia „išjungti“ išorinio pasaulio – aplinkos – keliamą „triukšmą“, kuris ir sunaikina kvantiškumą. Tai realizuoti eksperimentiškai gana ilgai buvo neįmanoma. Tam reikia „prikalti“ kvantinį atomą viename taške, išsiurbti aplink esantį orą ir… „išjungti šviesą“.

Nors yra gana nesudėtinga sukurti aukštos kokybės vakuumą, tačiau įtvirtinti atomą viename taške gana ilgą laiką buvo neįgyvendinamas uždavinys. Taip yra dėl to, kad paprasčiausios oro molekulės kambario temperatūroje juda apie 500 m/s (1800 km/h) greičiu. Sukūrus vakuumą likusios kelios molekulės juda neką lėčiau ir bėgioti tokiu greičiu iš paskos su mikroskopu nelabai įmanoma.

Šią problemą išsprendė vadinamosios elektromagnetinės gaudyklės, kur tarp veidrodžių lazeriu sukuriama stovinčioji elektromagnetinė banga ir šios bangos pūpsniai, kaip mums įprastos klasikinės duobės, pritraukia tam tikras daleles – jonus arba molekules. Gaudyklėje esančios dalelės jau negali pabėgti, o kad atsidurtų gaudyklių dugne, jos atšaldomos iki kelių milikelvinų temperatūros. Taip galima paruošti daleles kvantiniams eksperimentams.

Kito tipo, tačiau panašūs eksperimentai gali būti atliekami vietoj dalelių naudojant šviesos kvantus – fotonus. Tam tarp dviejų veidrodžių gana ilgam laikui „pagaunami“ šviesos kvantai. Tas laikas šiuo metu siekia kelias milisekundes, tačiau jis yra pakankamas, kad būtų atliktas koks nors kvantinis eksperimentas.

Tik 1980–1990 m. pasidarė įmanoma sukurti šias sąlygas laboratorijoje. Tokiomis sąlygomis stebimi lėti ir nesunkiai valdomi kvantiniai reiškiniai, aprėpiantys keletą kvantinių būsenų persijungimų. Taip atsirado galimybė patikrinti keleto kvantų susimaišymą, išsifazavimą, dalelių sąveikų ypatumus ir kvantinę kondensaciją. Be to, šiuo metu šaldomi ne tik jonai, bet ir molekulės, tiriami cheminių reakcijų kvantiniai virsmai.

Taigi nuo XX a. pradžios kvantinė fizika netiesiogiai aiškino eksperimentus, o nuo 1990 m. iš esmės prasidėjo tiesioginiai kvantinės mechanikos „tikrinimo“ eksperimentai, kai dirbtinai sukurti nesudėtingi, „popieriuje išsprendžiami“ uždaviniai tiesiogiai gali būti tiriami eksperimentiškai.

Už šiuos technologinius laimėjimus ir už pirmuosius keleto kvantų eksperimentus ir skirta šių metų Nobelio premija fizikos srityje Serge'ui Haroche'ui and Davidui J. Winelandui.

Pašalietis iškart paklaus: o kas jam iš to? Galbūt ateityje bus sukurti naujos kartos vadinamieji kvantiniai kompiuteriai. Jų numatoma skaičiavimo sparta būtų daug didesnė nei dabar veikiančių kompiuterių. Tas tikriausiai nėra labai svarbu žiūrint filmus ar klausant muzikos, bet, pavyzdžiui, oro prognozavimas taptų tikslesnis, įvairių robotų darbas – sudėtingesnis ir naudingesnis.