Bolyongás a síkban
Kézenfekvő megoldásként felmerült, hogy egy kvantumrendszert egy másik kvantumrendszerrel szimuláljanak, amire több megoldási javaslat is született. A legújabb felismerés –a tanulmányt a Science közölte a napokban – részben egy magyar kutatóhoz, Gábris Aurélhoz fűződik.
Kvantumrendszerek tanulmányozására a fény elemi részecskéje, a foton jó választás lehetne, ugyanis könnyen megfigyelhető a viselkedése. Nagy hátulütője viszont az optikai kísérleteknek, hogy bizonyos műveletekhez nagyon nagy hely és drága eszközök kellenek. Ezen a problémán segített két kutatócsoport. A Prágai Cseh Műszaki Egyetem Nukleáris Fizikai és Fizikai-mérnöki Kara és az erlangeni Max Planck Intézet egy kvantumosan bolyongó részecske kétdimenziós rácson való szétterjedését valósította meg a fizikusok világában egyszerűnek számító eszközökkel. A kísérletek során prágai fizikusok egy csoportja – köztük Gábris Aurél, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet tudományos munkatársa – felelt az elméleti háttér kidolgozásáért, a németországi kutatók pedig a kvantumoptikai berendezés megépítéséért és a kísérletek elvégzéséért.
A két kutatócsoport olyan rendszert hozott létre, ami eléggé rugalmas ahhoz, hogy sok más kvantumrendszert lehessen vele szimulálni. Gábris Auréltól tudjuk, hogy kísérleti berendezésük fényimpulzusok egy optikai körben való ellenőrzött haladásán alapul. „Az optikai kört optikai szállal valósítottuk meg: az egyszer bekerülő fényimpulzus körbe-körbe halad, amíg a veszteségek miatt el nem hal. A lényeg, hogy egy olyan kvantummechanikai folyamatot hoztunk létre, amit a szaknyelv kvantumos bolyongásnak nevez” – tájékoztatta lapunkat a fizikus.
A kvantumos bolyongás a véletlen bolyongás általánosításának felel meg. A véletlen bolyongásra a legegyszerűbb példa egy egyenes mentén történő mozgás. A véletlen bolyongó lehet egy részeg tengerész, aki nem tudván merre menjen, minden lépés előtt egy érme feldobásával dönti el, hogy hová tegye a következő lépést: például ha fejet kap, akkor balra lép, ha az érme írást mutat, akkor jobbra. Az így kapott modell általánosítható síkban vagy térben való mozgásra is, és nagyon sikeresen alkalmazható összetett fizikai rendszerek leírására. (A tea anyagainak a filterből való kioldódását például pontosan ennek a modellnek a térbeli, folytonos idejű általánosítása írja le.) A német és cseh csoport által megvalósított kvantumos bolyongás egy olyan általánosítása a véletlen bolyongásnak, amiben a bolyongó és az érme is egy-egy kvantumrendszer. Ennél mélyebben nem érdemes a kvantumos bolyongás magyarázatába belemenni, mert menthetetlenül eltévedünk.
A kvantumos bolyongás kísérleti tanulmányozásánál a kutatók a fotonnak azt a tulajdonságát használták ki, hogy alkalmas más fizikai folyamatokban megfigyelt jelenségek szimulációjára. A fizikusok ennek segítségével figyelhették meg például két részecske összetapadását, ami egy vonzó kölcsönhatásként értelmezhető. Korábban ehhez hasonló bonyolultságú fizikai rendszert még nem szimuláltak. „Mi annak köszönhettük ezt az eredményt, hogy elsőként valósítottunk meg kvantumos bolyongást egy síkban. Eddig csak egy vonal mentén való bolyongást állítottak elő, ám az egy dimenzióban rejlő lehetőségek messze elmaradnak a két dimenziótól” – mondta lapunknak a fizikus, aki elképzelhetőnek tartja, hogy módszerük már a nem túl távoli jövőben bevett eljárássá válik.
A kvantumos bolyongás fizikai megvalósításának, azonban van más távlati jelentősége is. A kvantuminformatikai kutatások egyik eredménye ugyanis az a felfedezés, hogy a módszer felhasználható az úgynevezett kvantumszámítógépek algoritmusainak tervezésére. Sőt, elképzelhető, hogy bizonyos kvantumszámítógépek valamilyen kvantumos bolyongáson alapuló elven működjenek. Ezek az alkalmazások azonban egyelőre csupa kérdőjellel vannak tele: használható kvantumszámítógépet egyelőre még senki sem alkotott, és egyelőre még azt sem lehet tudni biztosan, hogy ez valaha sikerülni fog-e. Ugyanakkor a kvantumszámítógépek kifejlesztését segítő kutatások járulékos haszna is számottevő, hiszen nagymértékben támogatják a kvantumrendszerek jobb megértését, továbbá az informatika fejlődését.