Atomy helu jak światło

Fenomen atomów helu, znajdujących się w nietypowym stanie tzw. kondensatu Bosego-Einsteina (czyli schłodzonych do temperatury mierzonej w miliardowych częściach kelwina) badają prof. dr hab. Marek Trippenbach i dr Jan Chwedeńczuk, obaj z Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego oraz dr Piotr Deuar z Instytutu Fizyki PAN i dr Paweł Ziń z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku, którzy uczestniczą w międzynarodowej grupie badawczej, prowadzącej w Instytucie Optyki w Paryżu - poinformował PAP rzecznik prasowy Instytutu Problemów Jądrowych dr Marek Pawłowski.

Przedmiotem badań jest zachowanie atomów, które osiągają stany kwantowe podobnie jak dzieje się to z fotonami. Stan kwantowy to taki, w którym parametry atomu, takie jak energia lub moment pędu mogą przyjmować tylko ściśle określone wartości. Inaczej mówiąc wartości te nie mogą wzrastać i maleć w sposób ciągły (tak jak to się dzieje w fizyce klasycznej, opisującej zjawiska w makroświecie), ale zmieniają się skokowo, a liczba możliwości jest ograniczona. Wartość danego parametru, np. energii atomu, określa się liczbą, nazywaną liczbą kwantową. Liczby kwantowe to po prostu numery wszystkich możliwych do osiągnięcia wartości konkretnego parametru.

Właśnie tak dzieje się z atomami helu, które po ekstremalnym schłodzeniu tworzą kondensat Bosego-Einsteina. "W nazwie nie chodzi o kondensację materii, lecz o fakt, że wszystkie atomy +kondensują+ do tego samego stanu kwantowego, co oznacza, że każdy atom zachowuje się tak samo" - wyjaśnił dr Ziń.

Jak tłumaczył dr Pawłowski, po utworzeniu w komorze próżniowej obłoku kondensatu o rozmiarach mikrometrowych, jego dwa przeciwległe fragmenty zostają pchnięte ku sobie za pomocą impulsów światła laserowego. Dochodzi do zderzeń, w których uczestniczą pary atomów. Atomy te są wytrącane z obłoku i po kilkuset milisekundach opadają na matrycę czujników - mikrokanałowych detektorów. Matryca detektorów wykonuje "zdjęcie" rozkładu atomów w danej chwili. Dzięki serii "zdjęć" fizycy potrafią odtworzyć przestrzenną strukturę zderzających się chmur i zobaczyć, dokąd trafiły atomy.

W eksperymencie, jak podkreślił dr Ziń, istotny jest fakt, że opadające atomy nadal mają świetnie określony stan kwantowy. "Obecnie badamy korelacje, jakie pojawiają się między atomami uczestniczącymi w zderzeniach. Zderzenia te wydają się zachodzić zgodnie z prawami fizyki klasycznej, lecz detektory pokazują, że uczestniczące w nich atomy trafiają w miejsca matrycy, w których ich obecność można wytłumaczyć wyłącznie za pomocą zjawisk kwantowych" - dodał dr Ziń.

Głównym celem badań jest dokładniejsze poznanie zjawisk zachodzących w świecie najmniejszych "cegiełek", składających się na naszą rzeczywistość. Pawłowski zaznaczył jednak, że dalekosiężnym celem doświadczeń ze zderzeniami kondensatów Bosego-Einsteina jest zbudowanie źródeł par pojedynczych atomów znajdujących się w dokładnie znanym stanie kwantowym. Takie atomy można by już wykorzystać w praktyce.

"Źródła tego typu byłyby atomowymi odpowiednikami źródeł pojedynczych fotonów, które w ostatnich latach zrewolucjonizowały optykę kwantową - nie tylko pozwoliły na badanie nowych zjawisk fizycznych, ale także znalazły zastosowanie w komercyjnie dostępnej kryptografii kwantowej, metodzie przesyłania danych, w której prawa fizyki gwarantują całkowitą poufność przekazu" - podkreślił.

Chodzi o metodę przesyłania za pomocą fotonów o określonych stanach kwantowych krótkich wiadomości, zawierających klucz, służący do rozkodowywania informacji przekazywanej tradycyjną drogą. Komunikacja kwantowa działa na odległość do kilkudziesięciu kilometrów. Bezpieczeństwo gwarantowane jest dzięki podstawowej zasadzie mechaniki kwantowej, która w uproszczeniu mówi, że każdy pomiar stanu kwantowego zmienia ten stan. Ponieważ "podsłuchanie" wiadomości przesyłanej przez fotony wymaga dokonania pomiaru ich stanu kwantowego (co automatycznie zniekształca przekaz), to strony wymieniające informacje zawsze zorientują się, że ktoś próbuje przechwycić komunikat i użyją nowego klucza. Jeśli wiadomość dotrze kompletna, to znaczy, że pozostała tajna.

Naukowcy, chcący wykorzystać w podobny sposób atomy helu, mają jeszcze jednak sporo pracy. "Jak zwykle w badaniach podstawowych nie oczekujemy, że wiedzę dziś uzyskaną uda się szybko zastosować" - skomentował dyrektor Instytutu Problemów Jądrowych prof. Grzegorz Wrochna. "Nie mamy jednak wątpliwości, że wiedzę tę wykorzystają z wielkim pożytkiem nasze dzieci i wnuki, tak jak my dziś w tysiącach urządzeń wykorzystujemy efekty pracy naszych poprzedników - wykorzystujemy w sposób, o którym im kilkadziesiąt lat temu nawet się nie śniło" - dodał.