W eksperymencie wykorzystano niezwykle ciekawy stan skupienia materii, zwany kondensatem Bosego-Einsteina. Albert Einstein i hinduski fizyk Satyendra Natha Bose w pierwszej połowie XX w. opisali, co teoretycznie powinno się dziać z gazem schłodzonym do temperatury naprawdę bliskiej zera absolutnego (-273,15 st. Celsjusza).

Wszystkie atomy znajdują się wówczas w tym samym stanie kwantowym, mają najniższą możliwą energię i poruszają się w ten sam sposób. Co ciekawe, mogą nawet wszystkie naraz znajdować się w tym samym miejscu. Takie niespodzianki ma dla nas fizyka kwantowa. Niezwykłe jest to, że stan skupienia materii opisywany przez Bosego-Einsteina istnieje wyłącznie w laboratoriach ziemskich instytucji naukowych, nie ma go nigdzie indziej we Wszechświecie. Najniższa zarejestrowana temperatura w kosmosie to 3 st. Celsjusza powyżej zera absolutnego.

Kondensat Bosego-Einsteina po raz pierwszy udało się uzyskać fizykom Ericowi Cornellowi, Wolfgangowi Ketterlemu i Carlowi Wiemanonowi w roku 1995; jego temperatura wynosiła kilka miliardowych stopnia powyżej zera absolutnego. Nawiasem mówiąc, osiągnięcie trzech uczonych okazało się być warte Nagrody Nobla z fizyki (w 2001). I właśnie kondensat Bosego-Einsteina był środowiskiem, w którym fizycy z Harvardu przeprowadzili swój eksperyment. W tym przypadku chmura schłodzonego gazu zawierała atomy sodu.

Metoda, przy pomocy której autorzy eksperymentu "zamknęli" światło w atomach sodu, również znana była naukowcom z wcześniejszych doświadczeń. Wykorzystano w niej dwa lasery. Pierwszy grał główną rolę, gdyż to informacja o jego impulsie świetlnym najpierw została zamknięta w atomach, a następnie w pełni odzyskana. Drugi, pomocniczy laser, pełnił rolę wywoływacza i utrwalacza.

Energia lasera oświetlającego obłok gazu delikatnie wprawia w ruch ładunki elektryczne poszczególnych atomów. W normalnych warunkach po pewnym czasie drgania atomów zamieniają się w światło, które następnie zostaje wypromieniowane w chaotyczny sposób. Jeśli w tym momencie obłok gazu oświetlimy przy pomocy drugiego lasera, proces promieniowania zostaje zahamowany. Po zgaśnięciu obu laserów informacja pochodząca z impulsu świetlnego zostaje utrwalona w atomach. Oryginalny promyk światła udaje się odtworzyć z chmury atomów, ponownie oświetlając go laserem utrwalaczem.

W eksperymencie opisanym w najnowszym "Nature" dwa obłoczki kondensatu Bosego-Einsteina zostały uwięzione pomiędzy parą elektromagnesów i oświetlone jedną wiązką laserową. W efekcie energia lasera wprawiła w delikatne drgania ładunki elektryczne poszczególnych atomów sodu. Pomocniczy laser utrwalił te drgania.

Następnie oba lasery zgasły, a fala materii, która wtedy powstała, przebyła odległą drogę jednej dziesiątej milimetra, by dołączyć do drugiej chmurki. Ponownie włączono laser utrwalacz i… druga chmurka wyemitowała oryginalny impuls świetlny.

Innymi słowy: światło zmieniło się w falę materii (czyli zostało w pewien sposób "wchłonięte" przez atomy materii), by kawałek dalej z powrotem stać się światłem. Co ciekawe, podczas zamiany światła w falę materii i fali materii z powrotem w światło nie traci się energii. Owszem, odtworzony impuls był o połowę słabszy od oryginalnego, ale, jak skrzętnie policzyli fizycy, stratom jest winne rozproszenie atomów oraz rozproszenie lasera w chmurce kondensatu. Natomiast sam proces zamiany jest bezstratny: atomy sodu oddały z powrotem dokładnie tyle, ile przedtem otrzymały.

Z punktu widzenia nauki jest to niewątpliwie bardzo ciekawe osiągnięcie, pytanie jednak, czy znajdzie jakieś zastosowanie w praktyce. Profesor Lene Vestegaard Hau, która prowadziła eksperyment, uważa, że tak. "Nasze odkrycie może przynieść przełom w kwantowym przetwarzaniu danych i kwantowej kryptografii" - twierdzi.

Po tzw. komputerach kwantowych od dawna spodziewamy się, że zrewolucjonizują informatykę. W takim komputerze w obliczeniach wykorzystywałoby się niezwykłe właściwości mechaniki kwantowej. Na przykład szyfry łamałoby się bardzo szybko: komputer kwantowy nie sprawdzałby jednego klucza po kolei, a wszystkie jednocześnie. To dlatego, że obiekty kwantowe mogą na przykład znajdować się w kilku stanach naraz, być w dwóch różnych miejscach jednocześnie itp. Kiedy w klasycznym komputerze informacje przechowuje się w bitach (najmniejszych porcjach danych), z których każdy może być albo zerem, albo jedynką. W komputerze kwantowym natomiast podstawową jednostką byłby kubit: zero, jedynka albo i zero, i jedynka jednocześnie.

Kwantowe komputery istnieją dotąd głównie jako prace fizyków teoretyków i nieliczne eksperymenty o niedużym znaczeniu praktycznym, odkrycie fizyków z Harvardu może ten stan zmienić.



















Reklama