Magicienii lumii cuanticeS. Haroche şi David Wineland au inventat şi perfecţionat în mod independent metode inovatoare pentru măsurarea şi manipularea particulelor individuale, păstrându-le caracteristicile cuantice, în moduri care până nu demult erau considerate ca fiind irealizabile.

 

 

 

Laureaţii Premiului Nobel pentru Fizică 2012, Serge Haroche şi David J. Wineland au deschis porţile spre o nouă eră de experimente în domeniul fizicii cuantice, demonstrând posibilitatea observării directe a particulelor cuantice fără a le distruge. Cu ajutorul metodelor lor ingenioase de laborator au reuşit să măsoare şi să controleze stări cuantice foarte fragile, oferind domeniului lor de cercetare posibilitatea de a parcurge primii paşi spre construirea unui computer ultra rapid care să aibă la bază fizica cuantică, aşa-numitul computer cuantic. Aceste metode au condus, de asemenea, la conceperea unor ceasuri extrem de precise care ar putea deveni baza unui nou standard temporal în viitor, fiind de peste o sută de ori mai exacte decât ceasurile pe bază de cesiu existente în prezent.

În cazul particulelor singulare de lumină sau materie legile fizicii clasice încetează să se mai aplice, lăsând locul fizicii cuantice. Însă izolarea unei singure particule din mediul său este o sarcină foarte dificilă, iar aceste particule îşi pierd misterioasele proprietăţi cuantice imediat ce intră în contact cu mediul extern. Din acest motiv numeroase fenomene aparent bizare prevăzute în mod teoretic de fizica cuantică nu au putut fi observate direct şi astfel cercetătorii au putut realiza doar "experimente imaginate" care ar putea în principiu demonstra existenţa acestor fenomene bizare.

Ambii laureaţi activează în domeniul opticii cuantice, domeniu care studiază interacţiunea fundamentală dintre lumină şi materie, un domeniu care a înregistrat progrese considerabile de la mijlocul anilor 1980 până în prezent. Metodele utilizate de cei doi savanţi au multe elemente în comun. David Wineland capturează atomi încărcaţi electric (ioni), controlându-i şi măsurându-i cu ajutorul fotonilor (luminii). Serge Haroche utilizează o abordare diametral opusă: el controlează şi măsoară fotonii capturaţi cu ajutorul atomilor. Serge Haroche abordează lucrurile în sens opus: el controlează şi măsoară fotoni prin orientarea atomilor printr-o capcană.


Controlul ionilor individuali într-o capcană electrică

În laboratorul lui David Wineland din Boulder, Colorado, atomii încărcaţi electric sunt menţinuţi în interiorul unei aşa-numite capcane prin înconjurarea acestora de un câmp electric. Particulele sunt izolate de căldura şi radiaţiile din mediul lor prin efectuarea de experimente în vid, la temperaturi extrem de scăzute.

Unul dintre secretele aflate în spatele marii realizări a lui Wineland constă în stăpânirea artei de a folosi fascicule laser şi crearea de impulsuri laser. Este utilizat un laser pentru a suprima mişcarea termică a ionilor în interiorul capcanei prin aducerea ionului în starea sa cu cea mai mică energie şi astfel este permis studiul fenomenelor cuantice cu ajutorul ionilor captaţi. O undă laser reglată cu atenţie poate fi folosită pentru a aduce ionii într-o stare de superpoziţie cuantică care reprezintă ocuparea a două stări în acelaşi timp. De exemplu, ionul poate fi pregătit să ocupe două niveluri diferite de energie simultan. Totul începe la cel mai scăzut nivel de energie şi unda laser dă un uşor impuls ionului până la jumătatea drumului spre un nivel de energie mai mare, astfel încât acesta rămâne între cele două niveluri energetice, într-o suprapunere de stări şi cu o probabilitate egală de a ajunge în oricare dintre ele. În acest fel poate fi studiată o superpoziţie cuantică a stărilor de energie ale ionilor.

 

Ioni captati electric
Clic pe imagine pentru a o mări

 

Controlul fotonilor individuali într-o capcană optică

Serge Haroche şi echipa sa de cercetători întrebuinţează o metodă diferită pentru a putea dezvălui  misterele lumii cuantice. În laboratoarele din Paris fotonii microscopici sar dintr-o parte în cealaltă în interiorul unei mici cavităţi situate între două oglinzi despărţite de o distanţă foarte mică una de cealaltă, de aproximativ 3 cm. Oglinzile sunt alcătuite dintr-un material supraconductor şi sunt răcite până la o temperatură puţin deasupra valorii de zero absolut.  Aceste oglinzi supraconductoare sunt cele mai strălucitoare din lume. Reflectă atât de bine lumina încât un singur foton poate sări înainte şi înapoi în interiorul cavităţii pentru aproape o zecime de secundă înainte să fie pierdut sau absorbit. Acest timp de viaţă record presupune faptul că fotonul călătoreşte 40.000 de kilometri, echivalentul unei călătorii în jurul pământului.

Pe parcursul vieţii sale îndelungate pot fi efectuate multe manipulări cuantice asupra fotonului capturat. Haroche utilizează atomi pregătiţi printr-un procedeu special, aşa-numiţii atomi Rydberg (denumiţi astfel după fizicianul suedez Johannes Rydberg) pentru a controla şi măsura fotonii de microunde aflaţi   în interiorul cavităţii. Un atom Rydberg are o rază de circa 125 nanometri, care este de aproximativ 1000 de ori mai mare decât în cazul atomilor obişnuiţi. Aceşti atomi gigantici în formă de gogoaşă sunt trimişi unul câte unul în interiorul cavităţii cu o viteză aleasă cu grijă, în aşa fel încât interacţiunea cu fotonul din gama microundelor să aibă loc într-o manieră atent controlată.

 

Fotoni controlati optic
Clic pe imagine pentru a o mări


Atomii Rydberg traversează cavitatea şi ies în afara acesteia  lăsând  în urmă fotonul de microunde. Dar interacţiunea dintre foton şi atom creează o modificare a fazei stării cuantice a atomului: dacă considerăm starea cuantică a atomului ca fiind o undă, atunci minimele şi maximele undei se deplasează. Această modificare de fază poate fi măsurată atunci când atomul părăseşte cavitatea, dezvăluind astfel prezenţa sau absenţa fotonului în interiorul cavităţii. Dacă nu există foton nu există o modificare de fază. Haroche poate prin urmare să măsoare un foton individual fără să îl distrugă.

Cu ajutorul unei metode similare, Haroche şi grupul său putea să numere fotonii din interiorul cavităţii la fel cum un copil numără bilele dintr-un castron. Acest lucru poate să pară uşor, dar necesită o îndemânare şi ingeniozitate extraordinare pentru că fotonii, spre deosebire de alte biluţe, sunt distruşi instantaneu în momentul contactului cu lumea exterioară. Plecând de la metodele sale de numărare a fotonilor, Haroche şi colaboratorii au conceput metode prin care pot urmări evoluţia unei stări cuantice individuale, pas cu pas, în timp real.



Paradoxurile lumii cuantice

Mecanica cuantică descrie o lume microscopică care este inaccesibilă cu ochiul liber, o lume în care evenimentele se petrec contrar aşteptărilor şi experienţei noastre în materie de fenomene fizice din lumea macroscopică, clasică. Fizica din lumea cuantică vine cu un grad intrinsec de incertitudine şi întâmplare asociate. Un exemplu al acestui comportament contrar intuiţiei este fenomenul de superpoziţie cuantică, în cadrul căruia o particulă cuantică poate fi în mai multe stări simultan. În mod normal nu ne gândim că nişte bile de mici dimensiuni se află şi aici şi acolo în acelaşi timp, însă aşa se întâmplă lucrurile în cazul unei biluţe cuantice. Starea de superpoziţie a acestei biluţe ne indică cu exactitate ce probabilitate are biluţa de a fi într-un loc sau altul, dacă ar fi să măsurăm exact unde se află aceasta.

De ce nu percepem niciodată aceste aspecte ciudate ale lumii noastre? De ce nu putem observa o superpoziţie a bilelor cuantice în viaţa noastră de zi cu zi? Fizicianul austriac şi laureat al Premiului Nobel (Fizică 1933) Erwin Schrödinger şi-a pus această întrebare. Ca mulţi alţi pionieri ai teoriei cuantice, el a încercat să înţeleagă şi să interpreteze implicaţiile sale. În 1952 el scria următoarele: "Niciodată nu realizăm experimente cu un singur electron sau atom sau cu o moleculă individuală de mici dimensiuni. Doar în experimentele mentale imaginăm uneori asemenea scenarii. Acest lucru conduce în mod invariabil la consecinţe ridicole ... ".

Pentru a ilustra consecinţele absurde ale deplasării între lumea microscopică a fizicii cuantice şi lumea macroscopică de zi cu zi, Schrödinger a imaginat  un experiment cu o pisică: pisica lui Schrödinger este complet izolată de lumea exterioară într-o cutie ce nu putea fi observată din exterior. În interiorul cutiei era plasat, de asemenea, un container plin cu cianură care este eliberată în cutie numai după descompunerea unui atom radioactiv.

 

Pisica lui Schrodinger
Pisica lui Schrödinger


Fenomenul de dezintegrare radioactivă este guvernat de legile mecanicii cuantice în conformitate cu care materialul radioactiv se află într-o stare de superpoziţie cuantică, descompus/nedescompus. Prin urmare şi pisica trebuie să fie de asemenea într-o stare de superpoziţie, fiind atât moartă, cât şi vie. Dacă am arunca o privire în interiorul cutiei am risca să ucidem pisica deoarece fenomenul de superpoziţie cuantică este atât de sensibil la interacţiunea cu mediul încât cea mai mică încercare de a observa pisica ar duce la colapsul stării cuantice de superpoziţie asociate pisicii, care va fi ori vie, ori moartă. În opinia lui Schrödinger acest experiment imaginar a condus la o concluzie absurdă şi se spune că ulterior acesta chiar a încercat să-şi ceară scuze pentru că, imaginând experimentul acesta, a amplificat confuzia din jurul mecanicii cuantice.

Ambii laureaţi ai premiului Nobel din 2012 au fost în măsură să cartografieze starea pisicii cuantice la momentul contactului cu mediul. Ei au elaborat experimente ingenioase şi au reuşit să redea în detaliu modul în care măsurătoarea în sine duce la colapsul stării cuantice şi la pierderea superpoziţiei. În locul pisicii lui Schrödinger, Haroche şi Wineland capturează particule cuantice şi le aduc în stări de superpoziţie similare celor ale pisicii. Aceste obiecte cuantice nu sunt macroscopice, ca şi pisica, dar sunt destul de mari după standardele cuantice.

În interiorul cavităţii folosite de Haroche fotonii din domeniul microundelor sunt aduşi într-o stare de superpoziţie cuantică, având simultan faze opuse asociate funcţiei de undă, asemeni unui cronometru cu un ac care se roteşte simultan atât sensul acelor de ceasornic cât şi invers acelor de ceasornic. Microundele din interiorul cavităţii sunt apoi studiate cu ajutorul atomilor Rydberg. Rezultatul este un alt efect cuantic numit corelativitate cuantică. Fenomenul a fost, de asemenea, descris de Erwin Schrödinger şi poate apărea între două sau mai multe particule cuantice care nu intră în contact direct, dar îşi pot influenţa reciproc proprietăţile. Corelarea cuantică care apare între microunde şi atomii Rydberg i-au permis lui Haroche să cartografieze apariţia şi dispariţia stărilor cuantice din interiorul cavităţii folosite, urmărind-o pas cu pas, atom cu atom, pe măsură ce au suferit tranziţia de la superpoziţie cuantică la o stare bine definită caracteristică fizicii clasice.


Spre o nouă revoluţie în domeniul calculatoarelor

O posibilă aplicaţie a captării ionilor la care mulţi cercetători visează este computerul cuantic. În prezent în cazul calculatoarelor clasice cea mai mică unitate de informaţie este fie 1, fie 0. Pe de altă parte, în cazul unui calculator cuantic unitatea informaţională de bază poate fi 1 sau zero simultan. Doi biţi cuantici pot lua simultan patru valori: 00, 01, 10 şi 11 şi fiecare qubit adiţional dublează cantitatea de stări posibile. Pentru n biţi cuantici există 2n stări posibile  şi un computer cuantic de doar 300 de qubiţi poate duce la 2300 de valori simultan, o valoare mai mare decât numărul de atomi din univers.

Grupul lui Wineland a fost primul din lume care  a realizat o operaţie cuantică cu doi biţi cuantici. Deoarece operaţiile de control au fost deja realizate cu ajutorul câtorva qubiţi, nu există în principiu niciun motiv să credem că nu ar trebui să fie posibilă realizarea unor astfel de operaţiuni utilizând mai mulţi qubiţi. Cu toate acestea, construirea unui astfel de computer cuantic reprezintă o provocare practică enormă. Trebuie îndeplinite două cerinţe opuse: qubiţii trebuie să fie în mod corespunzător izolaţi de mediul lor pentru a nu distruge proprietăţile lor cuantice, dar trebuie, de asemenea, să fie capabili să comunice cu lumea exterioară pentru a transmite rezultatele calculelor lor. Poate computerul cuantic va fi construit în acest secol. Dacă acest lucru va fi realizat vieţile noastre vor fi transformate într-un mod la fel de radical cum s-a întâmplat în cazul computerului clasic în ultimul secol.


Noi ceasuri

David Wineland şi echipa sa de cercetători au utilizat de asemenea ioni captaţi într-o capcană pentru a construi un ceas care este de o sută de ori mai precis decât ceasurile atomice pe bază  de cesiu care sunt în prezent standardul pentru măsurarea timpului. Timpul scurs este calculat prin setarea sau sincronizarea tuturor ceasurilor conform unui standard. Ceasurile de cesiu funcţionează în domeniul microundelor, în timp ce ceasurile cu ioni ale lui Wineland utilizează lumina vizibilă, de unde şi numele lor: ceasuri optice. Un ceas optic poate consta din unul sau doi ioni captaţi într-o capcană. În cazul existenţei a doi ioni, unul este folosit pe post de ceas şi celălalt este utilizat pentru a citi ceasul fără a-i distruge starea sa sau fără a-l face să piardă un ticăit. Precizia unui ceas optic este mai bună decât 1 la 1017, ceea ce înseamnă că dacă un asemenea ceas ar  început să măsoare timpul la începutul universului, cu aproximativ 14 miliarde de ani în urmă, respectivul ceas optic ar fi deviat cu numai aproximativ cinci secunde până în prezent.

 

Ceas optic cuantic
Ceas optic cuantic


Cu ajutorul unor măsurători foarte precise ale timpului au fost observate unele fenomene extrem de subtile şi frumoase ale naturii, cum ar fi schimbări în ritmul de trecere a timpului sau variaţii minuscule ale gravitaţiei, ţesătura spaţiu-timpului. Conform teoriei relativităţii a lui Einstein timpul este afectat de mişcare şi gravitaţie. Cu cât este mai mare viteza şi cu cât este mai puternică gravitaţia, cu atât este mai lentă trecerea timpului. Este posibil ca noi să nu fim conştienţi de aceste efecte, dar ele au devenit de fapt o parte din viaţa noastră de zi cu zi. Când navigăm cu ajutorul GPS-ului ne bazăm pe semnalele de timp provenite de la sateliţi cu ceasuri care sunt special calibrate. deoarece gravitaţia este o idee mai scăzută la  câteva sute de kilometri altitudine. Cu ajutorul unui ceas optic este posibilă măsurarea diferenţei în ritmul de trecere a timpului chiar şi când viteza ceasurilor se schimbă cu mai puţin de 10 de metri pe secundă sau atunci când gravitaţia se modifică urmare a unei diferenţe în înălţime de doar 30 de centimetri.



Textul de mai sus reprezintă traducerea informaţiilor de popularizare oferite pe site-ul nobelprize.org după decernarea Premiului Nobel pentru Fizică în anul 2012.
Traducere:
Ecaterina Pavel