Studie: Atomární kontaminace podobná jako u drahých kamenů slouží jako kvantový informační uložiště

Oba fyzikové, profesor Dr. Artur Widera (vpravo) a jeho doktorand Felix Schmidt, zkoumají ... (foto: TUK/Koziel)

Pro barvy drahokamů nebo výkon moderních polovodičů jsou příčinou nečistoty v materiálech. Podobně je tomu u kvantových systémů, kde je však téměř neprozkoumáno. Poprvé mohli physici z Kaiserslauternu kontrolovaně vložit jednotlivé nečistoty z cesiových atomů do ultrastudeného kvantového plynu z rubidiových atomů. Pozorovali, jak nečistoty vyměňují kvantové excitace (spin) s plynem. Navíc ukázali, že cesiové atomy mohou uchovávat kvantové informace. To dosud nebylo možné. Studie byla publikována v prestižním odborném časopise „Physical Review Letters“.

Nečistoty z jednotlivých atomů, podobně jako u drahokamů, se vyskytují i v jiných materiálech a konstrukcích. I v kvantové fyzice jsou odpovědné za různé efekty a jsou proto zajímavé pro experimenty. Na TUK nyní fyzici pod vedením profesora Dr. Artura Widery a jeho doktora Felixe Schmidta poprvé pozorovali, jak se takové nečistoty chovají v Boseho-Einsteinově kondenzátu rubidiových atomů. „V fyzice označuje tento stav hmoty, který je srovnatelný s kapalnými a plynnými stavy. Nicméně takový kondenzát je dokonalý kvantový stav, který se chová jako vlna,“ říká profesor Widera, který vede obor Individual Quantum Systems. Pro fyziky je Boseho-Einsteinův kondenzát oblíbeným modelem pro zkoumání kvantových efektů – podobně jako se v biologii a medicíně používá k modelování například genetických otázek kvasinka Drosophila.

Ve své aktuální studii zkoumali physici z Kaiserslauternu takovou nečistotu v kvantovém plynu. Při tom jej ochladili na teploty blízké absolutní nule -273,15 °C. „Tímto způsobem můžeme kontrolovat kvantový systém,“ říká první autor Felix Schmidt. Jako nečistotu použili cesiové atomy. Na přibližně 10 000 rubidiových atomů připadlo pět až deset cesiových atomů. „Systém lze zkoumat pod mikroskopem. Ultrastudený plyn má velikost deset mikrometrů,“ pokračuje doktorand. Takto lokalizovali jednotlivé nečistoty a pozorovali změnu jejich struktury, tzv. spinů, prostřednictvím interakce s kvantovým plynem. „Dosud nebylo možné pozorovat jednotlivé atomy v takovém plynu. Těší nás, že se nám to v experimentu podařilo,“ říká Schmidt.

Fyzici dále ověřili, zda lze cesiové atomy využít jako úložiště informací a současně je ochladit v kvantovém plynu. „Aby atomy uchovávaly informace, musí zůstat jejich elektronový stav zachován,“ vysvětluje Widera. „V kondenzátu však dochází ke vzájemným interakcím s ostatními atomy, což představuje riziko ztráty citlivých informací.“ Výzkumníkům se nyní poprvé podařilo atomy v kvantovém plynu výrazně ochladit, aniž by došlo ke ztrátě kvantových informací.

„Model jednotlivých nečistot v ultrastudeném plynu realizuje paradigma kvantové fyziky,“ říká profesor Widera. „Může sloužit jako výchozí bod pro řadu dalších kvantových experimentů.“ Zejména poznatky vědců z Kaiserslauternu pomáhají lépe pochopit, co se děje na kvantové úrovni. To by například mohlo hrát roli při porozumění supravodičům a vývoji nových materiálů. Supravodiče by mohly přenášet elektrický proud na velké vzdálenosti bez velké ztráty energie za normálních podmínek. Dosud je to možné pouze při teplotách hluboko pod bodem mrazu.

Studie byla publikována v prestižním odborném časopise Physical Review Letters: „Quantum spin dynamics of individual neutral impurities coupled to a Bose-Einstein condensate.“ Felix Schmidt, Daniel Mayer, Quentin Bouton, Daniel Adam, Tobias Lausch, Nicolas Spethmann a Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera a jeho doktorand Felix Schmidt se zabývají kvantovými systémy. Fyzici spolupracují také s Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS) interdisciplinárně s pracovními skupinami z chemie, strojírenství a techniky zpracování, elektrotechniky a informačních technologií, aby přenesli základní poznatky do praxe.