Fizicianul teoretician Frank Wilhelm-Mauch şi echipa sa de cercetare din cadrul Saarland University a dezvoltat un model matematic pentru un anumit tip de teste microscopice de laborator care ar putea oferi o perspectivă nouă şi mai profundă asupra lumii particulelor cuantice. Noul mod de testare va permite studiul simultan a o sută de cuante de lumină (fotoni) şi a relaţiile cuantice complexe dintre ele („inseparabilitatea cuantică"), adică pentru un număr mult mai mare decât în studiile anterioare.
Cercetătorii speră să obţină informaţii noi care ar putea fi importante pentru dezvoltarea de computere cuantice. Ei reprezintă primul grup de cercetare la nivel mondial care a efectuat astfel de studii prin folosirea un aşa-numit „metamaterial", adică o reţea realizată într-un mod special ce este formată din nanostructuri care sunt capabile de a refracta lumina mult mai puternic decât materialele existente în mod obişnuit în natură. Rezultatele cercetării au fost publicate recent în Physical Review Letters.
Fizicianul teoretician Frank Wilhelm-Mauch şi echipa sa de cercetare din cadrul Saarland University a dezvoltat un model matematic pentru un anumit tip de teste microscopice de laborator care ar putea oferi o perspectivă nouă şi mai profundă a lumii particulelor cuantice. Noul mod de testare va permite studiul simultan a o sută de cuante de lumină şi a relaţiile cuantice complexe dintre ele, adică a unui număr mult mai mare de particule ce vor putea fi studiate în comparaţie cu testele desfăşurate anterior. Această cercetare ar putea ajuta la dezvoltarea computerelor cuantice.
Credit: Saarland University
Legile fizicii care se aplică în lumea macroscopică în care trăim ne permit să determinăm cu precizie poziţia şi viteza unei maşini în mişcare. La un anumit moment, maşina se află într-o anumită poziţie şi se deplasează cu o anumită viteză într-o anumită direcţie. Dar aceste legi care reprezintă bazele fizicii clasice nu se mai pot aplica atunci când ne referim la dimensiuni mai mici decât cele ale unui atom. În această lume microscopică, predomină legile fizicii cuantice (care au un caracter aparent contraintuitiv) şi în care o particulă, precum un foton, se poate afla simultan în mai multe poziţii diferite şi se poate deplasa simultan cu mai multe viteze diferite. Cu toate acestea, în prezent se cunosc prea puţine informaţii în legătură cu zona de tranziţie dintre aceste „două lumi", adică domeniul în care legile fizicii clasice se termină şi începe domeniul în care se aplică legile fizicii cuantice. „Lumea cuantică nu poate fi, pur şi simplu, transferată în cadrul unor sisteme de mari dimensiuni ce au o comportare ce poate fi determinată într-un mod exact", explică Frank Wilhelm-Mauch.
Fizicianul teoretician şi echipa sa de cercetare au folosit metode matematice pentru a dezvolta un microlaborator care nu este cu mult diferit de un cablu obişnuit de antenă, dar care constituie un sistem controlat cu ajutorul căruia se poate studia tranziţia dintre aceste două lumi diferite. „Noi ne aşteptăm ca proprietăţile cuantice să scadă în intensitate sau chiar să dispară cu totul la o anumită mărime a acestui sistem. Pentru a fi în măsură să studiem această tranziţie şi starea cuantică asociată, am dezvoltat un nou concept care reprezintă un sistem de test foarte mare compus din 100 de fotoni individuali şi care vor constitui obiectul măsurătorilor şi el va permite ca aceste măsurători să poată fi efectuate fără a se pierde nici măcar un singur foton. Cablul respectiv va fi realizat din materiale supraconductoare şi experimentele vor fi efectuate la temperaturi scăzute", explică profesorul Wilhelm-Mauch. Până în prezent încercările de a efectua aceste tipuri de măsurători s-au confruntat cu pierderi importante de fotoni. Folosind metodele convenţionale ce există în prezent măsurarea unui sistem format din 100 de fotoni se încheie practic cu măsurarea unui singur foton. Deoarece cuanta de lumină se poate afla simultan în mai multe stări, orice măsurătoare, odată realizată, ne poate oferi doar o imagine foarte limitată a unui proces extrem de complex. O singură valoare măsurată poate descrie doar una din multele stări posibile. „De aceea noi am realizat sistemul nostru de test ce conţine 100 de fotoni la cea mai mare dimensiune pe care o putem obţine în prezent, pentru ca acest lucru să ne permită să studiem aceste fenomene de tip inseparabilitate cuantică. Datele obţinute din aceste măsurători ar trebui să ne ofere o imagine mult mai precisă a proceselor implicate în acest fenomen", spune Wilhelm-Mauch.
Pentru a face acest lucru, cercetătorii „au fentat" legile opticii convenţionale. Ei au combinat optica cuantică cu un aşa-numit metamaterial de tip LHM („left-handed media") pentru a transmite cuante de lumină prin acesta. Aceste reţele formate din structuri aflate la o scară nanometrică au reprezentat obiectul de cercetare al opticii convenţionale de ceva timp şi ele au o proprietate foarte specială: lumina în contact cu aceste metamateriale este refractată mai puternic decât în cazul unui mediu obişnuit cum ar fi apa. Unghiul de refracţie poate fi variat prin modificarea structurii materialului. Fizicienii din Saarbrücken au propus un model matematic al unei reţele care este adaptată la fotonii din microunde şi pentru prima dată acesta este destul de bun pentru a permite efectuarea unor studii de optică cuantică. Metamaterialul conceput de echipa condusă de Wilhelm-Mauch reprezintă o aşa-numită „linie de transmisie artificială" care cuprinde un număr de condensatoare şi bobine conectate în serie. Ghidul de undă ce rezultă în acest fel permite ca un număr mare de fotoni să poată fi grupaţi într-un mic volum din spaţiu pentru ca aceştia să poată fi transmişi printr-un cablu. Echipa de cercetare doreşte să utilizeze acest sistem pentru măsurători optice cuantice.
Cercetătorii sunt deosebit de interesaţi de tranziţia de la lumea fizică clasică la lumea cuantică. Prin obţinerea de mai multe informaţii în legătură cu această interfaţă se va îmbunătăţi înţelegerea noastră asupra sistemelor macroscopice care utilizează efectele cuantice. De exemplu, o cercetare de acest gen ar putea deschide noi perspective în ceea ce priveşte metodele de calcul cuantic. „Dacă vom afla care este dimensiunea maximă a unui sistem care încă mai urmează legile mecanicii cuantice atunci noi am putea fi capabili să producem capacităţi de stocare a datelor la fel de mari precum ne permite această limită", explică Frank Wilhelm-Mauch. Fizicianul teoretician este membru al unei reţele internaţionale de cercetare în domeniul calculului cuantic care se numeşte „SCALEQIT". Ca urmare a activităţii sale din cadrul proiectului „SCALEQIT", Wilhelm-Mauch a dezvoltat deja un detector de microunde extrem de eficient care poate detecta fotoni cu o precizie de 100%. Oamenii de ştiinţă din cadrul University of Karlsruhe din Germania şi Syracuse University din SUA lucrează în prezent la un prototip al acestui microlaborator.
Traducere de Cristian-George Podariu după physicists-aim-transition-quantum-world cu acordul editorului
