A kutatóknak elsőként sikerült olyan szimulációs eszközt kifejleszteni, amely egy egyedi kvantumos részecske viselkedésének összes alapvető aspektusát képes szimulálni.
Emellett a kutatók most már azt is meg tudták nézni, hogy egy bolyongó részecske kvantumos bolyongása során visszatér-e a kiindulási helyére, vagy nem.
Az áttörő kísérletben, amelyről a Science Advances beszámol, az MTA Wigner Fizikai Kutatóintézet is részt vett a Prágai Cseh Műszaki Egyetemmel és a Paderborni Egyetemmel (Németország) közösen.
A kutatóknak a kísérlet elődjében lézerfénnyel (gyenge koherens fénnyel) már sikerült reprodukálniuk egyedi kvantumrendszer statisztikáját. Az akkori kísérletben, 2012-ben, amely Science cikket ért, már részt vett az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, azonban idén újabb előrelépést sikerült elérni. Az idei nagy áttörés az volt, hogy a tudósoknak sikerült egy, a kvantummechanikai mérésnek megfelelő elemet beépíteniük a létrehozott rendszerbe, így látták azt is, hogy visszatér-e a részecske a kiindulási helyére. Ezzel sikerült a kutatóknak gyenge koherens fénnyel kísérletileg tanulmányozni a visszatérés és a bolyongás matematikai problémáját most már a kvantummechanikában is.
Az ábrán a kísérlet elrendezése látható.
Bár az igaz, hogy ezt a kísérletet még koherens fénnyel végezték a kutatók, de ez a berendezés változtatás nélkül alkalmazható lesz egy vagy több fotonos kvantumos bolyongási kísérletekre is, csupán a fényforrás megváltoztatásával. Így a kísérletben résztvevő három intézet egy nagy lépést tett afelé, hogy a jövőben ilyen fotonikus rendszerben egy vagy több részecskés kvantumos bolyongásokat megvalósítsanak és mérjenek.
Ezen kísérletek a most kibontakozó kvantumtechnológia témakörébe tartoznak.
A tudósok, kormányzatok és az üzleti élet szereplői között elterjedt vélemény, hogy a gyorsan fejlődő kvantumtechnológia egy második kvantumos forradalom közeledtét jelzi. Egy megfelelően nagy kapacitású kvantumszimulátor például olyan, a kvantummechanika által leírt folyamatok tanulmányozását tenné lehetővé, amelyeket praktikusan lehetetlen kezelni a jelenlegi, félvezető technológiára épített számítógépekkel.
A kvantumtechnológián alapuló eszközöket az különbözteti meg a hagyományos eszközöktől, hogy működésük során a kvantumelmélet által leírt kvantumszuperpozíciók játszanak szerepet.
Azonban míg a makroszkopikus tárgyakat megfigyelhetjük úgy, hogy eközben magát a tárgyat a legkisebb mértékben sem zavarjuk meg, a kvantumrendszerek esetében már akármilyen gondossággal is igyekszünk eljárni, a megfigyelés elkerülhetetlenül beleavatkozik a kvantumrendszer állapotába. (A kvantumelméletre építő titkosítási eljárások biztonságát például pont a kvantumos rendszerek ezen tulajdonsága szavatolja). A kvantumtechnológia legnagyobb kihívása, hogy a szuperpozíciók különösen sérülékenyek a környezeti hatásokkal szemben.
A három intézet kutatói nyolc éve fejlesztenek egy fotonikus platformot a kvantumos bolyongás kísérleti megvalósítására. A platform alapelveit mára sikeresen vették át a világ különböző részein található kutatócsoportok, hogy megalkothassák a saját kvantumos bolyongást leképező kísérleti berendezéseiket.
Mi a kvantumos bolyongás?
A kvantumos bolyongás a véletlen bolyongással analóg elvi modell.
A véletlen bolyongások témakörét már Pólya György is tanulmányozta 1921-ben, annak nyomán, hogy egy délutáni park béli sétája során, akarata ellenére, túl sokszor botlott ugyanabba az ismerős párba. Ennek nyomán bevezette a visszatérés matematikai fogalmát, amely a bolyongás azon tulajdonságát ragadja meg, hogy az idő múlásával visszatér-e az adott ember, vagy tárgy a kiindulópontba. Ugyanezt a kérdést a kvantumos bolyongást illetően is fel lehet tenni.
A kvantumos bolyongó, egy hullámhoz hasonlóan, igen gyorsan szétterjed egyszerre több rácspontra. Ha egy megfigyeléssel meg kívánjuk határozni a bolyongó helyzetét, akkor a bolyongó hirtelen lokalizálódik arra a rácspontra, ahol a jelenlétét érzékeljük. Ez értelmezhető úgy, hogy a mérés elpusztította a bolyongó kiterjedt állapotát. Azt, hogy a bolyongó a megfigyelés hatására melyik pontra fog lokalizálódni, a természet véletlenszerűen dönti el.
A kutatók a fenti problémát egy ügyes trükkel oldották meg: ahelyett, hogy az egyes lépések után a bolyongó konkrét helyzetére vonatkozó megfigyelést végeztek volna, a kérdésüket arra szűkítették, hogy „ A bolyongó vissza tért-e arra a helyre ahonnét a bolyongását kezdte?”, ezzel kevésbé zavarva meg a rendszert.
Az elmúlt évek során közösen kifejlesztett kísérleti platformmal a jelen kísérletben a kutatók megközelítőleg 40 lépés hosszan szimulálták a kvantumos bolyongás folyamatát és megfigyelését két módszer szerint: úgy is, hogy folyamatosan nézték minden lépés után, hogy a bolyongó visszatért-e a kiindulópontba, és úgy is, hogy meghatározott ideig nem avatkoztak a rendszerbe, és ezt követően méréssel határozták meg a bolyongó pontos helyét.
Az egyéb, kvantumelméletet használó protokollok kísérleti megvalósításaival való összehasonlításban a 40 iteráció elvégzése után is túlnyomóan kvantumos viselkedés megfigyelése kiemelkedő eredmény. Érzékeltetésül, egy hasonló, de hagyományos elven összeállított optikai kísérlet hozzávetőlegesen 700 optikai elemet tartalmazna. Ez egy akkora méretű rendszer volna, amelynek a kezelése a kísérleti szakemberek egybehangzó véleménye szerint a lehetetlenség határát súrolja. A mérések során a visszatérésre vonatkozó eredmények közel tökéletes egyezést mutattak az elméletileg vártakkal.
A Science Advances cikke ezen a linken érhető el: http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaar6444
A hivatkozott 2012-es Science cikk pedig ezen az oldalon érhető el: http://science.sciencemag.org/content/336/6077/55
A 2012-es Index cikk az akkori Science megjelenésről ezen az oldalon olvasható: https://index.hu/tudomany/2012/03/09/kvantumoptikai_attores_magyar_reszvetellel/
A kísérletekben résztvevő német kutatócsoport honlapja: https://physik.uni-paderborn.de/en/silberhorn/,
A kísérletekben résztvevő cseh kutatócsoport honlapja: https://physics.fjfi.cvut.cz/en/q3
A kísérletben résztvevő magyar kutatócsoport honlapja: https://wigner.mta.hu/hu/kvantumoptikai-es-kvantuminformatikai-osztaly/kvantuminformatika-es-kvantummechanika-alapjai
A kísérletben résztvevő két magyar kutató, Gábris Aurél és Kiss Tamás:
Gábris Aurél
Kiss Tamás
