Studie: Zanieczyszczenie atomowe podobne do kamieni szlachetnych służy jako pamięć kwantowej informacji

Obaj fizycy, profesor dr Artur Widera (z prawej) oraz jego doktorant Felix Schmidt, prowadzą badania ... (zdjęcie: TUK/Koziel)

Przyczyny barw kamieni szlachetnych lub zdolności wydajności nowoczesnych półprzewodników są związane z zanieczyszczeniami w materiałach. Podobnie jest w przypadku systemów kwantowych, które jednak są mało zbadane. Po raz pierwszy fizycy z Kaiserslautern byli w stanie kontrolować pojedyncze zanieczyszczenia z atomów cezowych w ultrazimnym gazie kwantowym z atomów rubidu. Zaobserwowali, jak zanieczyszczenia wymieniały się kwantowymi pobudkami (spinami) z gazem. Ponadto wykazali, że atomy cezowe mogą przechowywać informacje kwantowe. Dotychczas nie było to możliwe. Badanie ukazało się w renomowanym czasopiśmie naukowym „Physical Review Letters”.

Zanieczyszczenia z pojedynczych atomów, podobnie jak w przypadku kamieni szlachetnych, występują także w innych materiałach i surowcach. Również w fizyce kwantowej odpowiadają za różne efekty i dlatego są interesujące dla eksperymentów. Fizyk z TUK, profesor dr Artur Widera i jego doktorant Felix Schmidt, po raz pierwszy zaobserwowali, jak zachowują się takie zanieczyszczenia w kondensacie Bosego-Einsteina z atomów rubidu. „W fizyce taki stan materii nazywa się kondensatem, który jest porównywalny do stanów ciekłych i gazowych. Jednak taki kondensat jest idealnym stanem kwantowym, który zachowuje się jak fala”, mówi profesor Widera, kierujący działem Systemów Kwantowych Indywidualnych. Dla fizyków kondensat Bosego-Einsteina jest popularnym modelem do badania efektów kwantowych – podobnie jak muszka Drosophila w biologii i medycynie służy jako model organizmu do rozwiązywania problemów genetycznych.

W swoim najnowszym badaniu fizycy z Kaiserslautern zbadali takie zanieczyszczenie w gazie kwantowym. Schłodzili je do temperatur bliskich zeru absolutnemu -273,15°C. „W ten sposób możemy kontrolować system kwantowy”, mówi pierwszy autor Felix Schmidt. Za zanieczyszczenie użyli atomów cezowych. Na około 10 000 atomów rubidu przypada od pięciu do dziesięciu atomów cezowych. „System można badać pod mikroskopem. Ultrazimny gaz ma rozmiar dziesięciu mikrometrów”, dodaje doktorant. W ten sposób naukowcy zlokalizowali pojedyncze zanieczyszczenia i obserwowali zmiany ich struktury, tzw. spinów, wywołane interakcją z gazem kwantowym. „Dotychczas nie można było obserwować pojedynczych atomów w takim gazie. Cieszymy się, że udało nam się to w eksperymencie”, mówi Schmidt.

Fizyczni badacze sprawdzili również, czy atomy cezowe mogą służyć jako pamięć informacji i jednocześnie być chłodzone w gazie kwantowym. „Aby atomy mogły przechowywać informacje, ich stan elektronowy musi pozostać niezmieniony”, wyjaśnia Widera. „Ponieważ w kondensacie dochodzi do interakcji z innymi atomami, istnieje ryzyko utraty cennych informacji wskutek zakłóceń”. Naukowcom udało się po raz pierwszy schłodzić atomy mocno w gazie kwantowym bez utraty informacji kwantowych.

„Model z pojedynczymi zanieczyszczeniami w ultrazimnym gazie realizuje paradygmat fizyki kwantowej”, mówi profesor Widera. „Może służyć jako punkt wyjścia do wielu innych eksperymentów kwantowych”. Szczególnie ważne jest to dla lepszego zrozumienia tego, co dzieje się na poziomie kwantowym. Może to na przykład odgrywać rolę w przyszłości w zrozumieniu nadprzewodników i opracowaniu nowych materiałów. Nadprzewodniki mogłyby przesyłać prąd bez dużych strat energii na duże odległości w normalnej temperaturze otoczenia. Dotychczas jest to możliwe tylko w temperaturach znacznie poniżej zera bezwzględnego.

Badanie zostało opublikowane w renomowanym czasopiśmie 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 i Artur Widera. Phys. Rev. Lett. 121, 130403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.130403

Widera i jego doktorant Felix Schmidt zajmują się systemami kwantowymi. Fizykami tymi współpracują również z interdyscyplinarnymi grupami z Landesforschungszentrum Optik und Materialwissenschaften (OPTIMAS), obejmującymi chemików, inżynierów mechaników i technologii procesowej oraz elektrotechników i informatyków, aby przełożyć podstawy nauki na praktyczne zastosowania.