Šie metai Jungtinių Tautų yra paskelbti Tarptautiniais kvantinių mokslo ir technologijų metais. O beveik prieš 100 metų Ervinas Šriodingeris (Erwin Schrödinger) padėjo pamatus visai kvantinei fizikai.
Gražus sutapimas, kad ir šių metų Nobelio fizikos premija paskirta trims mokslininkams – Džonui Klarkui (John Clarke), Mišeliui H. Devoretui (Michel H. Devoret) ir Džonui M. Martinui (John M. Martin) – už tai, kad jie pirmieji bandymais parodė makroskopinį kvantinį tuneliavimą ir energijos kvantavimą elektros grandinėje.
Jų 9-ojo dešimtmečio viduryje atlikti bandymai su superlaidžia elektros grandine parodė, jog net sistema, „kurią galima pačiupinėti rankomis“, gali elgtis pagal kvantinės mechanikos dėsnius.
Šis atradimas ne tik atsakė į seną fizikos klausimą apie kvantinių reiškinių ribas, bet ir atvėrė kelius naujos kartos kvantinėms technologijoms – nuo galingų ateities kompiuterių iki itin tikslių matavimo prietaisų ir etalonų.
Kvantinis tuneliavimas – kas tai?
Šis reiškinys gali skambėti gana sudėtingai, tačiau įsivaizduokime kamuoliuką, kurį metame į sieną. Pagal Niutono fiziką (klasikinę fiziką) jis visada atšoks atgal.
Tačiau kvantiniame pasaulyje maža dalelė kartais atsitiktinai atsiduria kitoje sienos pusėje jos nepramušusi – tuneliuoja per kliūtį. Šis efektas vyksta subatominiame lygmenyje, pavyzdžiui, atomų branduolių radioaktyvaus skilimo metu.
Makroskopinis kvantinis tuneliavimas reiškia, kad toks reiškinys gali būti stebimas daug didesnėje sistemoje, sudarytoje iš daugybės dalelių.
Tai tarytum tiltas tarp kvantinės mechanikos ir mums įprasto makropasaulio – įrodymas, kad net dideli daiktai gali rodyti kvantines savybes.
Tuo tarpu energijos kvantavimas reiškia, jog sistema negali turėti bet kokios energijos – ji gali egzistuoti tik tam tikrose energijos būsenose.
Šį sumanymą dar XX a. pradžioje pasiūlė Maksas Plankas ir Nielsas Bohras savo darbuose, aiškinant atomų spektrus. O Klarko (Clarke), Devoreto (Devoret) ir Martinio (Martini) bandymai parodė, kad analogiškas dėsningumas galioja ir elektrinei grandinei – jos bendra energija keičiasi ne tolygiai, o porcijomis (kvantais).
Link praktinių pritaikymų: kvantiniai kompiuteriai ir ne tik
Iš tiesų, kvantinės fizikos pasiekimai jau seniai tarnauja žmonijai. Pavyzdžiui, tranzistoriai mūsų kompiuterių mikroschemose – tai kvantinė technologija, sukurta išnaudojant tuneliavimo efektą puslaidininkiuose.
Džosefsono sandūros, tyrinėtos Klarko ir kolegų, šiandien naudojamos superjautriems magnetiniams jutikliams (SQUID), leidžiantiems fiksuoti net smegenų magnetinius laukus medicinoje.
Taip pat Džosefsono efektas tapo nacionalinių įtampos etalonų pagrindu – kvantiniu būdu apibrėžė 1 volto (V) vertę. Nobelio komiteto teigimu, šių metų apdovanotasis atradimas suteikė naują postūmį kuriant kitą kvantinių technologijų kartą, įskaitant kvantinius kompiuterius, ryšius ir jutiklius.
Viena svarbiausių krypčių, kilusių iš šio atradimo, yra kvantinė informatika. Prodžius, kad elektros grandinę galima priversti elgtis tarsi didelį „atomą“ turintį dvi galimas kvantines būsenas, gimė sumanymas naudoti tokias grandines kaip kvantinius bitus (kubitus).
Superlaidžių kubitų pagrindu jau kuriami kvantiniai kompiuteriai – itin galingi prietaisai, galintys spręsti uždavinius, kurie klasikiniams kompiuteriams būtų neįkandami.
Kvantinė kriptografija – saugaus ryšio technologijos – taip pat išaugo iš kvantinių reiškinių tyrimų, nors labiau rėmėsi kitais kvantinės mechanikos bruožais (pvz., susietųjų fotonų savybėmis). Svarbu, kad šioje srityje dirba ir KTU mokslininkai.
Visos šios sritys drauge ženklina vadinamąją antrąją kvantinę revoliuciją, kuomet žmonija ne tik stebi kvantinius efektus, bet ir juos valdo kuriant naujas technologijas mūsų visų ateičiai.
Doc. Benas Gabrielis Urbonavičius, Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto mokslininkas
