Ograniczenia prędkości obowiązują również w świecie kwantowym

Nawet w świecie najmniejszych cząstek, rządzących się swoimi własnymi regułami, rzeczy nie mogą podróżować nieskończenie szybko. Fizycy z Uniwersytetu w Bonn odkryli, jakie jest ograniczenie prędkości dla złożonych operacji kwantowych. W badaniu wzięli również udział naukowcy z MIT, uniwersytetów w Hamburgu, Kolonii i Padwie oraz Jülich Research Centre. Wyniki są ważne między innymi dla ludzi, którzy zajmują się komputerami kwantowymi.

Załóżmy, że obserwujesz kelnera, który w sylwestra musi rozdać szampana wszystkim gościom kilka minut przed północą. Pędzi od gościa do gościa z maksymalną prędkością. Dzięki swoim doskonalonym przez wiele lat umiejętnościom udaje mu się jednak nie rozlać ani jednej kropli cennego płynu.

Pomaga mu w tym mała sztuczka: podczas gdy kelner przyspiesza, przechyla nieco tacę, aby szampan nie wylał się z kieliszków. W połowie drogi do stołu przechyla ją w przeciwnym kierunku i zwalnia. Dopiero gdy całkowicie się zatrzyma, taca znajduje się w pozycji poziomej.

Atomy są pod pewnymi względami podobne do szampana. Można je opisać jako fale materii, które zachowują się nie jak kula bilardowa, ale bardziej jak ciecz. Każdy, kto chce jak najszybciej przetransportować atomy z jednego miejsca na drugie, musi więc być równie zręczny jak kelner w sylwestra. “Nawet wtedy istnieje ograniczenie prędkości, którego ten transport nie może przekroczyć” – wyjaśnia dr Andrea Alberti, który kierował badaniami w Instytucie Fizyki Stosowanej Uniwersytetu w Bonn.

Atom cezu jako substytut szampana

W swoich badaniach naukowcy zbadali eksperymentalnie, gdzie dokładnie leży ta granica. Użyli atomu cezu jako substytutu szampana i dwóch wiązek laserowych idealnie nałożonych, ale skierowanych przeciwko sobie jako tacy. Takie ustawienie, nazywane przez fizyków interferencją, tworzy stojącą falę światła: ciąg gór i dolin, które początkowo się nie poruszają. “Umieściliśmy atom w jednej z tych dolin, a następnie wprawiliśmy w falę w ruch – to zmieniło położenie samej doliny” – mówi Alberti. “Naszym celem było doprowadzenie atomu do miejsca docelowego w jak najkrótszym czasie bez ‘wylewania’ go z doliny”.

Fakt, że w mikro świecie istnieje ograniczenie prędkości, został już teoretycznie zademonstrowany przez dwóch radzieckich fizyków, Leonida Mandelstama i Igora Tamma, ponad 60 lat temu. Pokazali oni, że maksymalna prędkość procesu kwantowego zależy od nieokreśloności energetycznej, tj. od tego, jak “wolna” jest manipulowana cząstka w odniesieniu do jej możliwych stanów energetycznych: im więcej ma swobody energetycznej, tym szybciej może się poruszać. Na przykład w przypadku transportu atomu, im głębsza jest dolina, w której uwięziony jest atom cezu, tym szerzej rozłożone są w niej energie stanów kwantowych i ostatecznie, tym szybciej atom może być transportowany. Coś podobnego można zobaczyć na przykładzie kelnera: jeśli napełnia kieliszki tylko do połowy (ku rozczarowaniu gości), mniej ryzykuje, że szampan rozleje się, gdy przyspiesza i zwalnia. Jednak swobody energetycznej cząstki nie można dowolnie zwiększać. “Nie możemy uczynić naszej doliny nieskończenie głęboką – kosztowałoby to nas zbyt dużo energii” – podkreśla Alberti.

Prawie jak teleportacja

Ograniczenie prędkości Mandelstam i Tamm jest fundamentalne. Jednak ten limit można osiągnąć tylko w określonych okolicznościach, a mianowicie w układach z tylko dwoma stanami kwantowymi. “Na przykład w naszym eksperymencie dzieje się tak, gdy punkt początkowy i docelowy są bardzo blisko siebie” – wyjaśnia fizyk. “Wtedy fale materii atomu w obu miejscach nakładają się na siebie i atom może zostać przetransportowany bezpośrednio do miejsca przeznaczenia za jednym zamachem – prawie tak, jak w przypadku teleportacji w filmie Star Trek”.

Sytuacja jest jednak inna, gdy odległość rośnie do kilkudziesięciu szerokości fal materii. Przy takich odległościach bezpośrednia teleportacja jest niemożliwa. Zamiast tego, cząstka musi przejść przez kilka stanów pośrednich, aby dotrzeć do ostatecznego miejsca przeznaczenia. Z badania wynika, że ​​w takich procesach obowiązuje niższa dopuszczalna prędkość niż ta przewidziana przez dwóch radzieckich fizyków: determinuje ją nie tylko nieokreśloność energetyczna, ale także liczba stanów pośrednich. W ten sposób praca poprawia teoretyczne zrozumienie złożonych procesów kwantowych i ich ograniczeń.

Odkrycia fizyków są ważne nie tylko dla obliczeń kwantowych. Obliczenia możliwe za pomocą komputerów kwantowych są w większości oparte na manipulacji systemami wielopoziomowymi. Stany kwantowe są jednak bardzo kruche. Trwają tylko przez krótki okres czasu, który fizycy nazywają czasem koherencji. Dlatego ważne jest, aby w tym czasie spakować jak najwięcej operacji obliczeniowych. “Nasze badanie ujawnia maksymalną liczbę operacji, jakie możemy wykonać w czasie koherencji” – wyjaśnia Alberti. “Dzięki temu możliwe jest optymalne wykorzystanie tego procesu”.

 

Źródła: University of Bonn / ScienceDaily

Demonstration of Quantum Brachistochrones between Distant States of an Atom

Zdjęcia: iStock

 

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x