Jak czas może pomóc w dostaniu się do świata kwantowego?
Mechanika kwantowa – teoria opisująca fizyczne właściwości przyrody w skali atomów i cząstek subatomowych – jest tajemnicza, fascynująca, a czasem oszałamiająca. Dzieje się tak częściowo dlatego, że prawa i zasady fizyki klasycznej nie wystarczają, aby w pełni wyjaśnić zjawiska zachodzące w skali kwantowej. „Teoria mechaniki kwantowej zaczęła być rozwijana około 100 lat temu, jako sposób na wyjaśnienie właściwości atomów”, wyjaśnia koordynator projektu TempoQ Otfried Gühne z Uniwersytetu w Siegen (Niemcy). „To była teoria podstawowa. Następnie, w latach 80. i 90. XX wieku naukowcy zaczęli zdawać sobie sprawę z tego, że mechanika kwantowa może mieć wpływ na przetwarzanie informacji”. W szczególności fizycy odkryli, że algorytmy działające na komputerze kwantowym (urządzenie, które wykorzystuje zbiorowe właściwości stanów kwantowych) pozwalają rozwiązywać pewne problemy szybciej niż z użyciem komputera klasycznego. Naukowcy wykazali również, że zjawiska kwantowe można wykorzystać w kryptografii, aby zapewnić jeszcze bezpieczniejszą komunikację. „Ważne zmiany poczyniono również po stronie eksperymentalnej”, dodaje Gühne. „W ciągu ostatnich kilku dekad naukowcy byli w stanie pułapkować pojedyncze atomy i manipulować nimi”.
Korelacje czasowe
Celem zespołu projektu TempoQ, finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, było wykorzystanie tych osiągnięć – zarówno teoretycznych, jak i eksperymentach – w celu zbadania określonych zjawisk w skali kwantowej. Podczas gdy wielu badaczy szukało lepszego zrozumienia mechaniki kwantowej w korelacjach przestrzennych między atomami, Gühne i jego zespół postanowili przyjrzeć się korelacjom czasowym. Innymi słowy, zespół przeprowadził pomiary dla tego samego atomu, ale w różnych przedziałach czasu. Następnie Gühne i jego zespół zbadali, co te pomiary mogą nam powiedzieć o świecie kwantowym. „Ten projekt miał charakter podstawowy i był bliższy matematyce niż faktycznym praktycznym zastosowaniom”, zauważa Gühne. „Interesowało nas przede wszystkim zidentyfikowanie pewnych pomiarów, które można wyjaśnić jedynie za pomocą teorii kwantowej”.
Odkrycia kwantowe
Eksperymenty przeprowadzone przez Gühnego i jego zespół umożliwiły rozwinięcie ogólnej teorii korelacji czasowych na poziomie kwantowym i pomogły udowodnić pewne właściwości kwantowe, których istnienia nie dawało się wykazać przy zastosowaniu fizyki klasycznej. „Podstawowa natura projektu TempoQ pozwoliła nam również odpowiedzieć na pewne otwarte pytania dotyczące natury mechaniki kwantowej”, mówi Gühne. „Nie planowaliśmy tego na początku projektu, ale w rzeczywistości udało nam się dowieść słuszności hipotezy dotyczącej kwantowych korelacji czasowych, którą sformułowano 25 lat temu. Badacz w stopniu doktora, który pracował nad tym, zdobył nawet nagrodę za to odkrycie”. Sukces projektu podniósł również rangę grupy badawczej Gühnego i pomógł przyciągnąć naukowców i wykładowców do laboratorium. I chociaż badania nie doprowadziły do żadnych innowacji ani powstania nowych produktów, Gühne wyjaśnia, dlaczego nauki podstawowe są tak ważne. „Po pierwsze badania podstawowe są same w sobie interesujące”, zauważa uczony. „Jeśli pomyśleć o początkowych badaniach nad kryptografią kwantową czy informatyką, prowadzonych w latach 80. XX wieku, były to same spekulacje i teorie. Na przykład lasery, które są wykorzystywane w wielu sektorach, były obszarem badań podstawowych aż do lat 60. XX wieku. Dopiero wtedy ludzie zaczęli przyglądać się możliwym zastosowaniom”. Na razie Gühne uważa, że projekt TempoQ miał istotny wkład w teorię kwantową, której przyszłe zastosowania w informatyce, kryptografii i innych sektorach mogą pewnego dnia zmienić nasze życie.
Słowa kluczowe
TempoQ, kwant, fizyka, informatyka, kryptografia, mechanika, atomy, lasery
