Kiedy cząstka dotyka czegoś, czego nie ma

Pozwól, że opowiem ci coś, po czym zaczniesz podważać wszystko, co sądzisz o tym, jak działa świat.

Wyobraź sobie, że idziesz ulicą i widzisz przed sobą wielki mur. Obchodzisz go szerokim łukiem, trzymasz się jak najdalej. A mimo to mur na ciebie naciska. W naszym codziennym świecie coś takiego nie ma sensu — ale w świecie kwantowym? Tam zaczyna się prawdziwa magia.

Dotyk widma, który zatrzymuje cię w miejscu

Naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego właśnie dokonali czegoś niezwykłego. Zbudowali komputer kwantowy, który potrafi zasymulować sytuację, gdy malutka cząstka zostaje całkowicie zatrzymana przez pole magnetyczne, którego nigdy nawet nie dotknęła. Tak, dobrze czytasz. Cząstka podążała swoją drogą, nie zbliżając się do żadnego pola magnetycznego, a mimo to — bum — jej zachowanie dramatycznie się zmieniło.

To zjawisko nazywa się efektem Aharonova-Bohma i od 1959 roku wprawia fizyków w osłupienie.

Co w tym wszystkim jest najdziwniejsze? W naszym normalnym świecie, jeśli chcesz przesunąć coś, musisz to faktycznie dotknąć lub przynajmniej znaleźć się blisko. Ale fizyka kwantowa ma swoje własne zasady. Naładowana cząstka może zostać wpływana przez magnetyczny "strumień" — wyobraź sobie coś jak niewidzialną energię magnetyczną — nawet jeśli podróżuje przez obszar, gdzie nie ma żadnego pola magnetycznego.

Jak to w ogóle działa?

Zespół z Oksfordu stworzył to, co nazywają hybrydowym systemem kwantowym. Pomyśl o tym jak o zbudowaniu maleńkiego placu zabaw dla kwantów z dwoma głównymi elementami współpracującymi ze sobą.

Po pierwsze, użyli kubitów — to podstawowe jednostki informacji kwantowej, coś jak zwykłe bity w komputerach, ale o wiele bardziej niestabilne i fascynujące. Zakodowali te kubity w uwięzionych jonach, czyli atomach z ładunkiem elektrycznym, przytrzymywanych w miejscu przez pola elektromagnetyczne.

Potem dodali oscylatory kwantowe, które powstają z drgań tych samych uwięzionych jonów. Te oscylatory reprezentują ruch.

Łącząc kubity z oscylatorami, stworzyli prostą pętlę, która działa jako podstawowy element czegoś zwanego teorią sieciowej kalibracji. Bez wchodzenia zbyt głęboko w matematykę — te teorie pomagają fizykom zrozumieć, jak materia oddziałuje z fundamentalnymi siłami wszechświata: elektromagnetyzmem, oddziaływaniem silnym i słabym.

Prawdziwa magia: Splątanie kwantowe

A tutaj robi się naprawdę interesująco. Naukowcy umieścili swoje kubity w stanie splątanym. Jeśli słyszałeś o splątaniu kwantowym, pewnie wiesz, że to to dziwne "połączone" zjawisko, które Einstein nazywał "upiornym działaniem na odległość".

W tym przypadku splątanie stało się substytutem dla magnetycznego strumienia przechodzącego przez ich symulowaną pętlę. Cząstka została wpływana przez coś, czego nie mogła zobaczyć ani dotknąć — tylko dlatego, że tak właśnie był połączony cały system kwantowy.

Dlaczego powinno cię to obchodzić?

Dobre pytanie! Chodzi o to, że symulowanie tych fundamentalnych oddziaływań kwantowych na zwykłych komputerach jest trudne. Niesamowicie trudne. Matematyka robi się tak skomplikowana, że nawet superkomputery zaczynają się pocić.

Ale komputery kwantowe oferują inne podejście. Zamiast próbować obliczać wszystko krok po kroku, naukowcy mogą zbudować system kwantowy, który podlega tym samym zasadom, i po prostu... obserwować, co się dzieje. To jak zamiast rozwiązywać labirynt na papierze, zbudować go naprawdę i wpuścić małego robota, żeby go zbadał.

To badanie pokazuje, że hybrydowe systemy kwantowe, takie jak ten zbudowany w Oksfordzie, mogą pomóc nam badać oddziaływania, które coraz trudniej jest badać w jakikolwiek inny sposób. To ma znaczenie, bo zrozumienie tych fundamentalnych oddziaływań może w przyszłości pomóc nam budować lepsze komputery kwantowe, poznawać podstawowe cegiełki wszechświata, albo może — może — odkryć zupełnie nową fizykę, której jeszcze sobie nie wyobrażamy.

Podsumowując

Szczerze? Nie będę udawał, że to wszystko jest łatwe do ogarnięcia. Czytam o fizyce kwantowej od lat i nadal sprawia, że mój mózg boli w najlepszy możliwy sposób.

Ale właśnie to mnie nakręca: żyjemy w czasach, gdy przewidywania sprzed dziesięcioleci z zapomnianych prac fizycznych są wreszcie testowane w prawdziwych laboratoriach. Kiedy Einstein wymyślał swoje "upiorne" idee, nie wyobrażał sobie, że kiedykolwiek zbudujemy maszyny do ich badania.

Następnym razem, gdy ktoś ci powie, że fizyka jest nudna albo nieistotna, zapamiętaj: gdzieś tam cząstki są popychane przez niewidzialne siły, których nigdy nie dotknęły. I szczerze? To jest po prostu cool.