„Starcie tuneli kwantowych”. Cząsteczki, które wymykały się fizycznym barierom – pochwycone
Naukowcom udało się rozwiązać problem, który do niedawna uchodził za fizycznie nierozwiązywalny. W toku symulacji przeprowadzonej z wykorzystaniem hybrydowego komputera kwantowego zdołali oni poradzić sobie z jednym z najbardziej frapujących zjawisk fizyki – jakim jest ruch cząsteczek kwantowych wykorzystujących tunelowanie kwantowe. Badacze byli bowiem w stanie zatrzymać ten niepodatny na typowe bariery ruch. Co ciekawe, uczynili to za pomocą pola magnetycznego przez które cząsteczki nie tylko nie zostały przechwycone, ale nawet nie weszły w obszar jego oddziaływania.
Fenomen ten, znany jako efekt Aharonova-Bohma, został teoretycznie opisany przez Jakira Aharonowa i Davida Bohma w 1959 roku. Nigdy jednak dotąd nie zaobserwowano go w takim akurat kontekście – czyli jako części dynamicznej interakcji między materią a polami cechowania. Clou eksperymentu, który przeprowadzili naukowcy z Uniwersytetu Oksfordzkiego we współpracy z badaczami z Instytutu Fizyki Teoretycznej w Madrycie, było zastosowanie układu z pętlą kwantową, z wykorzystaniem dwóch kubitów i dwóch oscylatorów kwantowych, zbudowanych na podstawie jonów w polu magnetycznym.
W układzie tym kubity reprezentowały wpływ pól cechowania, natomiast oscylatory symulowały oddziaływanie materii. Poprzez wywołanie splątania kubitów, badacze poddali układ działaniu pola magnetycznego, co doprowadziło do destrukcyjnej interferencji dwóch możliwych ścieżek tunelowania cząstki kwantowej. W efekcie ruch cząstki został całkowicie zablokowany, mimo że nigdy nie zetknęła się z polem magnetycznym. Tymczasem bez wpływu pola magnetycznego cząsteczki kwantowe swobodnie tunelowały w układzie wokół pętli.
Uchwycić cząsteczki niemożliwe do „złapania”
Przekładając ten niekoniecznie zrozumiały, a przy tym, z drugiej strony, także z konieczności bardzo boleśnie uproszczony opis – cząsteczki kwantowe mogły swobodnie poruszać się po pętli. Mogły przy tym czynić to za pomocą więcej niż jednej drogi. Jednak gdy w środku pętli zaczęło oddziaływać pole magnetyczne, możliwe drogi zaczęły oddziaływać ze sobą w sposób destrukcyjny, wzajemnie się zakłócając. To z kolei sprawiało, że cząsteczki kwantowe, zamiast tunelować, „zamierały” w miejscu startowym. I to właśnie zaobserwowali badacze.
Odkrycie to, jakkolwiek z pozoru jawi się jako dość hermetyczne, abstrakcyjne i mało praktyczne, może zostać wykorzystane do stworzenia coraz bardziej zaawansowanych symulacji kwantowych, które pozwolą naukowcom badać fundamentalne oddziaływania między materią a polami cechowania – takie jak te opisujące siły występujące w fizyce cząstek elementarnych. To z kolei może bardzo pomóc w lepszym zrozumieniu zjawisk fizyki kwantowej bez zmagania się z obliczeniami i zobrazowaniami, które niejednokrotnie przerastały klasyczne komputery.
