Foto: AI/ScienceDaily.com

Fyzici přiměli atomy chovat se jako kvantový obvod

Autor původního článku: redakce

Vědci z Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau dokázali pomocí ultrachladných atomů a laserového světla znovu vytvořit chování Josephsonova přechodu, což je klíčová součást kvantových počítačů a standardů napětí. Objev Shapiro kroků v tomto atomovém systému odhaluje hlubokou univerzalitu v kvantové fyzice a činí nepolapitelné mikroskopické efekty viditelnými poprvé.

Josephsonovy přechody hrají ústřední roli v moderní fyzice a technologii. Umožňují extrémně přesná měření, definují mezinárodní standard pro elektrické napětí a slouží jako základní součásti mnoha kvantových počítačů. Přestože jsou tak důležité, kvantové procesy probíhající uvnitř supravodičů jsou notoricky obtížně pozorovatelné přímo.

Význam Josephsonových přechodů

Na první pohled má Josephsonův přechod jednoduchou strukturu. Skládá se ze dvou supravodičů oddělených extrémně tenkou izolační vrstvou. Přesto toto základní uspořádání produkuje silný kvantově mechanický efekt, který je základem některých z nejpokročilejších technologií dneška. Josephsonovy kontakty tvoří jádro mnoha kvantových počítačů a umožňují měření mimořádně slabých magnetických polí. Tato měření jsou klíčová v aplikacích, jako je magnetoencefalografie (MEG), lékařská zobrazovací technika používaná k detekci magnetických signálů generovaných aktivitou v lidském mozku.

Učinění neviditelných kvantových efektů pozorovatelnými

Výzvou u Josephsonových přechodů je, že jejich chování se odehrává na úrovni jednotlivých kvant. Uvnitř supravodiče nelze tyto mikroskopické procesy snadno sledovat nebo vizualizovat. Fyzici se proto spoléhají na kvantovou simulaci, strategii, která mapuje složitý kvantový systém na jiný, který je snazší kontrolovat a pozorovat. Tím, že znovu vytvoří základní fyziku v novém prostředí, mohou vědci zkoumat efekty, které by jinak zůstaly skryté.

Znovuvytvoření Josephsonova efektu s ultrachladnými atomy

Na RPTU vedl experimentální tým pod vedením Herwiga Otta kvantovou simulaci přímo na Josephsonův efekt. Místo použití supravodičů pracovali s ultrachladným plynem atomů známým jako Bose-Einsteinův kondenzát. Dva takové kondenzáty byly odděleny úzkou optickou bariérou vytvořenou zaostřeným laserovým paprskem. Pohybem této bariéry periodicky vědci znovu vytvořili podmínky podobné těm v supravodivém Josephsonově přechodu vystaveném mikrovlnnému záření.

V konvenčních zařízeních mikrovlnné záření indukuje dodatečný střídavý proud přes Josephsonův kontakt. V atomové verzi experimentu hrál pohybující se laserový bariéra stejnou roli, což týmu umožnilo úzce napodobit chování elektronických přechodů pomocí atomů.

Shapiro kroky jako univerzální fenomén

Výsledky experimentu byly ohromující. Atomový systém vykazoval jasné Shapiro kroky, což jsou kvantizované napěťové plošiny používané po celém světě k kalibraci elektrického napětí. Tyto kroky závisí pouze na základních konstantách a frekvenci aplikované modulace, což z nich činí základ globálního standardu napětí pro „volt“.

„V našem experimentu jsme byli schopni poprvé vizualizovat výsledné excitace. Skutečnost, že tento efekt se nyní objevuje v úplně jiném fyzickém systému – v souboru ultrachladných atomů – potvrzuje, že Shapiro kroky jsou univerzálním fenoménem,“ uvádí Herwig Ott.

Propojení kvantových světů atomů a elektronů

Studie byla provedena ve spolupráci s teoretickými fyziky Ludwigem Matheym z University of Hamburg a Luigim Amicem z Technology Innovation Institute v Abu Dhabi. Společně týmy demonstrovaly, jak může být dobře známý efekt z fyziky pevných látek věrně reprodukován v úplně jiném prostředí. Práce slouží jako učebnicový příklad kvantové simulace.

Jak Herwig Ott vysvětluje, „Kvantově mechanický efekt z fyziky pevných látek je přenesen do úplně jiného systému – a přesto jeho podstata zůstává stejná. To buduje mosty mezi kvantovými světy elektronů a atomů.“

Využití atomových obvodů k prozkoumání kvantové fyziky

Do budoucna plánují Ott a jeho kolegové propojit více atomových přechodů dohromady, aby vytvořili kompletní obvody složené z atomů. V těchto systémech by se atomy pohybovaly obvodem místo elektronů, což je vznikající oblast výzkumu známá jako „atomtronika“.

„Takové obvody jsou zvláště vhodné pro pozorování koherentních efektů, tj. vlnových efektů,“ říká Erik Bernhart, který experimenty provedl jako součást svého doktorského výzkumu. Na rozdíl od elektronů v pevných materiálech mohou být atomy v těchto obvodech přímo pozorovány, jak se pohybují, což poskytuje jasnější pohled na kvantové chování.

„Také chceme replikovat další základní komponenty známé z elektroniky pro naše atomy a přesně je pochopit na mikroskopické úrovni.“

Původní článek: Physicists made atoms behave like a quantum circuit