iPon Cikkek

A kvantumvilág élőhalott macskái

Dátum | 2012. 10. 14.
Szerző | Jools
Csoport | EGYÉB

Az elmúlt héten bejelentették 2012 Nobel-díjasait. A fizika területén Serge Haroche és David J. Wineland részesült a kitüntetésben, amiért egymástól függetlenül olyan alapvető módszereket fedezetek fel és fejlesztettek ki, amelyek lehetővé teszik az egyes részecskék mérését és manipulálását azok kvantumállapotának befolyásolása nélkül. Ezzel olyasmit valósítottak meg, ami sokáig elképzelhetetlennek tűnt.

A két kutató új korszakot nyitott a kvantumfizikai kísérletek világában, mivel általuk lehetővé vált a kvantumrendszerek közvetlen megfigyelése azok megzavarása nélkül. Munkásságuk az első lépést jelenti az újfajta, szupergyors kvantumfizikán alapuló számítógépek megvalósulása felé, valamint olyan, rendkívül precíz órák megalkotásához vezetett, amelyek több mint százszor pontosabb működésre képesek, mint a jelenleg használatos atomórák.

A fény vagy az anyag egy-egy részecskéjének viselkedését már nem képes leírni a klasszikus fizika, mivel ezen a szinten már a kvantummechanikai hatások kerülnek előtérbe. Egy darab részecskét azonban nem könnyű környezetétől elkülönítve vizsgálni, viszont rögtön elveszíti adott kvantumállapotát, ha interakcióba kerül valamivel. Ennek köszönhető, hogy számos kvantumszinten folyó különleges folyamat nem figyelhető meg közvetlenül, hanem a kutatók csak úgynevezett „gondolatkísérletek” révén igyekeznek megfejteni, hogy mi állhat az adott jelenség hátterében.

Serge Haroche (jobbra)
Mindkét idei díjazott a kvantumoptika területén tevékenykedik, vagyis a fény és az anyag közötti alapvető interakciókat vizsgálják. Ez a tudományterület óriási fejlődésen ment át a nyolcvanas évek óta. David Wineland elektromos töltéssel rendelkező atomokat ejt csapdába, majd fotonok segítségével befolyásolja és méri ezek állapotát. Serge Haroche ennek pontosan az ellenkezőjét teszi: izolált fotonokat kontrollál és vizsgál olyan módon, hogy atomokat küld keresztül a csapdán.

Wineland boulderi laboratóriumában a vizsgálni kívánt ionokat egy elektromos mező tartja egy helyben. A kísérletek extrém alacsony hőmérsékleten és vákuumban zajlanak. A kutató sikerének egyik titka a lézernyalábok és lézerpulzusok rendkívül kifinomult alkalmazásában rejlik. Egy lézernyaláb segítségével elnyomja az ion hőmozgását, ezzel a legalacsonyabb energiaállapotba taszítva a részecskét. Egy precízen hangolt lézerpulzus alkalmazásával az ion a szuperpozíció állapotába juttatható, vagyis két energiaállapot közötti kevert állapotba kerül, amelyek közül egyenlő eséllyel köthet ki bármelyikben.

David J. Wineland
Haroche és kollégái némileg más, mégis hasonló módszereket alkalmaznak a kvantumvilág titkainak felderítésére. Párizsi laboratóriumukban mikrohullámú fotonok pattognak oda és vissza két, egymástól három centiméterre elhelyezett tükör között. A tükrök szupravezető anyagból készülnek, és az egész kísérlet közel az abszolút nulla fokhoz zajlik. A szupravezető tükrök visszaverő képessége egyedülálló: egyetlen foton majdnem egy tizedmásodpercig utazik ide-oda az üregben, mielőtt elveszne vagy elnyelődne. Ez azt jelenti, hogy ezek egy-egy részecske élettartama folyamán összesen közel 40 ezer kilométert tesz meg az aprócska térben.

Ezeket a fotonokat hosszú életük során többféleképpen lehetséges befolyásolni. Haroche erre különleges, Rydberg-atomnak nevezett atomokat használ. A Rydberg-atomok rendkívül nagy méretűek, sugaruk eléri a 125 nanométert, ami ezerszerese az átlagos atoménak, és további különlegességük, hogy egyetlen elektron kering a legkülső pályájukon. Ezeket az atomokat küldik be óvatosan megválasztott sebességgel, egyesével a rezonátorüregbe, így a fotonnal történő interakció kontrollált körülmények között zajlik.

A Rydberg-atom áthalad az üregen, majd távozik, a fotont hátrahagyva a csapdában. A fotonnal való találkozás fáziseltolódást okoz az atom kvantumállapotában, és ez a változás mérhető, amint az atom kilép az üregből. Ha van fáziseltolódás, akkor van foton a két tükör között, ha viszont nincs változás az atom állapotában, akkor nem tartózkodott foton a csapdában. Haroche ilyen módon képes egyetlen foton mérésére annak elpusztítása nélkül. 

A kvantummechanika egy olyan mikroszkopikus világ eseményeit írja le, ahol a folyamatok nem úgy zajlanak le, ahogy az általunk ismert makroszkopikus szinten tapasztaljuk. Ennek a világnak szerves részét képezi a bizonytalanság és a véletlenszerűség. Ezekre a legjobb példa a kvantum-szuperpozíció nevű állapot, amelyről már korábban esett szó. A makrovilágban megszoktuk, hogy egy kavics nem lehet egyszerre két helyen, vagy itt van, vagy ott. A kvantumvilág kavicsai esetében szuperpozícióban csak azt tudjuk megmondani, hogy milyen valószínűséggel tartózkodik a részecske az egyik vagy a másik helyen, illetve állapotban.

Érdekes kérdés lehet, hogy ezek a furcsa jelenségek miért nem érvényesülnek makroszinten. Miért nem találkozunk szuperpozíciós állapotokkal mindennapi életünk során? Ez a probléma foglalkoztatta Erwin Schrödinger osztrák fizikust (1933 fizikai Nobel-díjasa) is. A kvantumelmélet sok úttörőjéhez hasonlóan nagy erőfeszítéseket tett annak érdekében, hogy megértése és megfogalmazza a kvantumhatásokat és azok következményeit. 1952-ben ezt írta: „Sosem végzünk kísérleteket kizárólag egyetlen elektronon vagy atomon vagy (kis) molekulán. Gondolatkísérleteinkben időnként mégis úgy teszünk, mintha csinálnánk ilyet, ami aztán minden egyes alkalommal nevetséges következményeket von maga után…”

A mikro- és a makrovilág közti korlátlan csapongás abszurd következményeinek illusztrálására fogalmazta meg Schrödinger azóta híressé vált gondolatkísérletét is. Schrödinger macskája egy dobozban teljesen izolálva van a külvilágtól. A dobozba egy üvegben halálos mérget is helyeznek, amelynek szabadon engedését egy olyan radioaktív készítmény szabályozza, amely percenként 50 százalékos valószínűséggel bocsát ki egy alfa-részecskét. Ha az adott percben jön egy alfa-részecske, akkor szabadjára engedődik a méreg, és a macska meghal. Ha nem jött alfa-részecske, a macska megéli a következő percet. A dobozba nem látunk bele, így a kísérlet végén a macska állapotfüggvénye szerint egyenlő eséllyel élő vagy halott, vagyis a szuperpozíciónak nevezett állapotban van.


Heisenberg szerint ‒ érvel Schrödinger ‒, ha bekukucskálunk a dobozba, azzal kockáztatjuk, hogy megöljük a macskát. A leskelődéssel ugyanis megállapítjuk a macska állapotát, ettől a szuperpozíció összeomlik, és az állat rögtön valamelyik lehetséges kimeneteli állapotba kerül: vagy meghal, vagy életben marad. Schrödinger szerint az ehhez hasonló abszurd következtetések miatt veszélyes a kvantumvilág gondolatkísérleteit a makrovilágra vetíteni. Schrödinger macskája azóta kiötlője szándékaival teljesen ellentétes módon a szuperpozíciót magyarázó példázatként vonult be a tudománytörténetbe. A szerző egyébként utólag többször is elnézést kért, hogy gondolatkísérletével tovább bonyolította a kvantumzűrzavart.

2012 fizikai díjazottjai úgy határozták meg a szuperpozícióban lévő kvantummacska állapotát, hogy bizony belenéztek a dobozba. Kreatív kísérletek révén részletesen meg tudták vizsgálni, hogy pontosan hogyan okozza a mérés végrehajtása a kvantumállapot összeomlását.

Haroche optikai rezonátorüregében a mikrohullámú fotonok fázisa kerül szuperpozícióba, kevert állapotuk úgy szemléltethető a legjobban, mintha egy stopperóra mutatója egyszerre pörögne mindkét irányba. Az üreget aztán Rydberg-atomokkal vizsgálják, amelynek egy másik Schrödinger által megfogalmazott jelenség, a kvantum-összefonódás lesz az eredménye. Ennek során két vagy több kvantumobjektum olyan összeköttetésbe kerül egymással, amelyen keresztül közvetlen kapcsolat nélkül is kihatással vannak egymás állapotára. A mikrohullámú mező és a Rydberg-atomok összefonódása révén Haroche képes volt követni az üregben tartózkodó atomok aktuális állapotát, atomról atomra vizsgálva ahogy a fotonok szuperpozícióba kerültek, majd ennek megszűntével felvették a klasszikus fizika által meghatározott állapotok egyikét. 

Az ioncsapdák egyik potenciális felhasználási területe a kvantum-számítástechnika lehet. A klasszikus, napjainkban használt számítógépekben az információ bitek formájában tárolódik, amelyek 1 vagy 0 értéket vehetnek fel. A kvantumszámítógépekben az információ alapegysége a kvantumbit lesz, amelynek értéke lehet 0, vagy 1, vagy a két állapot közti szuperpozíció is. Ez pedig jelentősen megnöveli a számítási kapacitást, mivel ha a bemenet az összes lehetséges állapot szuperpozíciója, akkor a kvantumprocesszor párhuzamosan, egy lépésben képes lesz kiszámolni az összes lehetséges kimenetet.

Egy két bitből álló bemenet például négy állást vehet fel: 00, 01, 10 és 11. A lehetséges értékek száma pedig minden egyes bit hozzáadásával megduplázódik: n darab bit esetében 2ˆn-féle bemenet lehetséges. A hagyományos bitekből 300 darab mindössze pár sornyi szöveg tárolására alkalmas. Egy 300 kvantumbites rendszer viszont 2ˆ300 darab értéket tárolhat párhuzamosan, ami meghaladja a világegyetem atomjainak számát.

Wineland kutatócsoportja elsőként végzett műveleteket két kvantumbittel. Mivel ezt azóta más kutatócsoportoknak is sikerült megvalósítani, illetve kiterjeszteni, elviekben semmi akadálya annak, hogy sokkal több kvantumbites számítások is megvalósulhassanak. Magának a kvantumszámítógépnek a megalkotása azonban óriási gyakorlati kihívást jelent. Két egymással ellentétes kívánalomnak kell ugyanis megfelelni: a kvantumbiteket megfelelő mértékben izolálni kell külső környezetüktől, hogy állapotuk ne omoljon össze, ugyanakkor valamilyen módon el kell juttatniuk a külvilágnak a műveletek eredményeit. Azt egyelőre nem tudhatjuk, hogy mikorra készülhet el az első kvantumrendszerű számítógép, de egy dolog biztos: a technológia elterjedése ugyanúgy alapjaiban fogja megváltoztatni életünket, ahogy az a klasszikus számítógépek nyomán is történt.


David Wineland és kollégáinak ioncsapdája az időmérést is forradalmasíthatja. A kutatók egy olyan órát építettek, amely nagyságrendekkel precízebb működésre képes azoknál a cézium atomóráknál, amelyek alapján jelenleg az idő alapegységeit definiáljuk. Wineland órája a mikrohullámú tartományban működő atomórákkal ellentétben a láthatófény tartományában operál, innen is kapta az optikai óra nevet. Ez az óra egy vagy két csapdába ejtett iont tartalmaz. Két ion esetében az egyiket arra használják, hogy leolvassák a másik állapotát, vagyis az időt, annak elpusztítása vagy megakasztása nélkül. A rendszer annyira pontos, hogy ha valaki az ősrobbanás pillanatában egy ilyen órával kezdte volna mérni az időt, az még mindig csak öt másodpercet sietne.

Az idő ilyen pontosságú mérése révén olyan különleges és rejtett folyamatok válnak megfigyelhetővé, mint az idő áramlatában bekövetkező aprócska változások, a gravitáció parányi variációi és a téridő különleges jellegzetességei. Einstein relativitáselméletének értelmében a mozgás és a gravitáció befolyásolja az időt. Ezek hatásaira talán nem figyelünk fel mindennapi életünk során, pedig valójában nap, mint nap találkozunk ezekkel. Amikor például GPS-szel tájékozódunk, olyan műholdak berendezéseire támaszkodunk, amelyek óráit rendszeresen újra kell kalibrálni, mivel a Földtől való távolságuk miatt kisebb a gravitáció a fedélzetükön. Az optikai órák olyan aprócska változásokat is mérhetővé tesznek az idő folyásában, amelyek egy óra sebességének 10 m/szekundumos, vagy magasságának 30 centiméteres változása nyomán következnek be. 

Új hozzászólás írásához előbb jelentkezz be!

Eddigi hozzászólások

4. mikej95
2012.10.14. 16:52
Akkor mégsem lesz lehallgathatatlan a kvantumparitáson alapuló távközlés? Bár enélkül is lehallgatható lett volna, hiszen egy kvantumpár állhat 3 tagból is.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
3. Pocok24
2012.10.15. 08:18
Nagyon ugy tunik... Bar azert, technikailag kitelepulni egy lehallgatashoz szupravezetokkel es orias atomokkal, meg szobanyi lezerekkel eleg feltuno lehet. :-)
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
2. nyerek01
2012.10.15. 20:23
Nem az a lényeg hogy a lehallgatás lehetséges avagy sem, hanem hogy nyom nélkül nem lehet megismerni az állapotot.
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!
1. alienn
2012.11.12. 14:35
Akkor most megtudhatjuk a kétrés kísérletben melyik foton melyik résen haladt át?
 
Válasz írásához előbb jelentkezz be!