Lazerio spindulys, kuris sustabdė chaosą: kvantinių įrenginių proveržis be šalčio ir šarvų

Iki šiol kvantiniuose įrenginiuose, tokiuose kaip magnetiniai jutikliai ar kvantinės atmintinės, viena didžiausių problemų buvo atomų sukinio praradimas. 

Tai įvyksta dėl susidūrimų tarp atomų arba dėl jų kontakto su indo sienelėmis. Tokie trikdžiai išderina atomų sukimąsi, o tai sumažina visos sistemos tikslumą bei stabilumą.

Sukinio relaksacijos problema

Atomai, turintys neporinius elektronus, pasižymi fizikine savybe, vadinama sukiniu. Šis sukinys yra labai jautrus aplinkai ir reaguoja į net menkiausius magnetinius pokyčius. Todėl tokie atomai yra naudingi tiksliems matavimams, pavyzdžiui, nustatant magnetinius laukus ar net stebint žmogaus smegenų aktyvumą.

Vis dėlto, sukinys yra itin trapus. Net nedidelis susidūrimas su kitu atomu ar šiluminis judėjimas gali išbalansuoti jo orientaciją. Šis reiškinys vadinamas sukinio relaksacija ir ilgą laiką buvo rimta kliūtis kuriant pažangius kvantinius prietaisus.

Anksčiau, norint išspręsti šią problemą, reikėjo labai silpnų magnetinių laukų ir sudėtingos įrangos, kuri apsaugotų atomus nuo išorinių trikdžių. Toks sprendimas buvo nepraktiškas realioms technologijoms, nes reikalavo daug vietos, energijos ir tikslaus sureguliavimo.

Lazerio šviesa vietoj apsaugos

Naujas metodas, sukurtas tarptautinės mokslininkų komandos, pasiūlė alternatyvą sudėtingai fizinei apsaugai. Užuot ekranuojant sistemą nuo išorinio poveikio, jie panaudojo vieną kruopščiai sureguliuotą lazerio spindulį. Šis šviesos spindulys švelniai veikia atomus, sinchronizuoja jų sukinius ir padeda jiems išlaikyti tvarką net ir nuolat judant ar susiduriant su kitais atomais.

Eksperimentai parodė, kad toks metodas dešimteriopai sumažina sukinio praradimą cezio atomuose, kurie buvo laikomi šiltoje aplinkoje. Tai labai reikšmingas pasiekimas, nes rodo, kad net be šaldymo ar specialių sąlygų galima išlaikyti kvantinį stabilumą.

Palyginimas su besisukančiais vilkeliais

Norint suprasti, kaip tai veikia, galima įsivaizduoti daugybę vilkelių, besisukančių dėžutėje. Paprastai jų judėjimas ilgainiui sutrinka dėl tarpusavio sąveikų ir smūgių į sieneles. Tačiau jei šiems vilkeliams daromas švelnus, koordinuojantis poveikis, jie gali išlaikyti bendrą ritmą net chaotiškoje aplinkoje.

Lazerio spindulys šiame metode atlieka būtent tokią funkciją. Jis prisitaiko prie atomų būsenų ir padeda jiems išlaikyti darnų sukimąsi. Tai leidžia sistemai veikti stabiliai net tada, kai atomai juda greitai ir dažnai susiduria.

Praktinės šio metodo galimybės

Atrastas metodas gali būti itin naudingas įvairiose srityse. Pavyzdžiui, medicinoje kvantiniai jutikliai padeda aptikti silpnus magnetinius signalus, tokius kaip širdies ar smegenų aktyvumas. Archeologijoje jie gali būti naudojami paslėptų objektų paieškai be kasinėjimo. Kosmoso tyrimuose, tai tiksliam orientavimui be GPS.

Taip pat šis metodas gali būti pritaikytas kuriant tikslias navigacijos sistemas, kurios veikia net tada, kai nėra ryšio su palydovais. Tokios sistemos būtų naudingos orlaiviams, povandeniniams laivams ar net autonominiams automobiliams.

Dar viena svarbi sritis, tai kvantinė kompiuterija. Ten, kur būtina ilgą laiką išlaikyti informaciją nepažeistą, stabili atomų sukinio būsena yra būtina. Naujas metodas galėtų padėti pasiekti geresnių rezultatų be brangių ir sudėtingų technologijų.

Kvantinių technologijų ateitis

Mokslininkai, atlikę šį tyrimą, teigia, kad jų atradimas atveria naują etapą kvantinės fizikos tyrimuose. Naudodami natūralius atomų judėjimo dėsnius ir lazerio šviesą, jie sukūrė metodą, kuris leidžia apsaugoti kvantinę informaciją net sudėtingomis sąlygomis.

Šis metodas grindžiamas ilgus metus vykdytais tyrimais, tačiau jo paprastumas stebina. Užuot naudoję brangią įrangą ar ypatingas sąlygas, mokslininkai rado elegantišką sprendimą, kurio esmė tiksliai valdomas šviesos spindulys.

Galima tikėtis, kad ateityje ši technologija taps pagrindu kuriant naujos kartos kvantinius įrenginius. Jie bus tikslesni, patikimesni ir prieinamesni nei bet kada anksčiau. Tai gali pakeisti ne tik mokslo, bet ir kasdienio gyvenimo sritis, nuo sveikatos priežiūros iki transporto ar ryšio sistemų.