Tágulnak a kvantumvilág határai

Az eddiginél milliárdszor nagyobb objektumban sikerült amerikai kutatóknak kvantumállapotot létrehozniuk – közölték a Nature tudományos magazinban.Ilyen állapotot eddig csak egyedi részecskéknél, atomoknál, molekuláknál tudtak előállítani. Az eredmény az úgynevezett kvantumszámítógép létrehozásában lehet fontos.
A kvantummechanika alappillére az az elv, hogy a dolgok meghatározott adagokban, kvantumokban nyelnek el és bocsátanak ki energiát. Az elvre egyszerí példa a színes üveg, amely attól nyeri el színét, hogy a fényből csak adott energiájú fotonokat nyel el.
Ha egy atom összes, környezetéből szerzett energiáját megvonják azáltal, hogy olyan alacsony hőmérsékletre hítik le, ahol már nem kap "pakkot" a szomszéd részecskéktől, elérheti úgynevezett kvantum-alapállapotát. Ha ebben az állapotban csak egyetlen energiakvantumot megfelelő módon visszakap, az atom egyidejíleg két állapotba, szuperpozíciós állapotba kerül.
A mérések ilyenkor vagy nulla, vagy egy energiakvantumot jeleznek, noha az atom egyidejíleg van mindkét állapotban. Az atomi energiaszinteket a számítógépeknél használt 0 és 1 állapotként értelmezve juthatunk el a kvantumszámítógép gondolatához.
Ugyanakkor egyetlen atomnál vagy molekulánál nagyobb méretben igen bonyolult az ilyen állapot létrehozatala, mivel minél nagyobb egy objektum, annál nehezebb teljes mértékben izolálni környezetétől, így eljuttatni alapállapotába.
"Mindennapi tapasztalatainkban tökéletesen tudjuk, hogy a dolgok nincsenek egyidejíleg két helyen, ám a fizika ezen alapvető elmélete szerint ez lehetséges" – mondta el a BBC hírportáljának Andrew Cleland, a Kaliforniai Egyetem (Santa Barbara) munkatársa, a tanulmány vezetője.
Cleland és kutatócsoportja most szabad szemmel is látható objektummal végezte el a kísérletet. Egy kis darab piezoelektromos anyagot használtak, amely kitágul, illetve összehúzódik, amikor elektromos áram halad át rajta. Meghatározott frekvenciánál a tágulás-összehúzódás rendszeressé válik, a hegedíhúrhoz hasonlóan az anyag saját frekvencián rezeg.
A csoport három év alatt kifejlesztett egy speciális elektromos áramkört, ehhez csatlakoztatták a fenti oszcillátort. Ezzel a készülékkel sikerült az elektromos energiát egyedi kvantumonként adagolni úgy, hogy a felszerelést lehítötték az abszolút nulla fok közelébe (egy ezred fokra tőle), és igazolták, hogy a rezonátor ekkor kvantum-alapállapotában volt.
Az elektromos energiát egyedi kvantumonként juttatták a rendszerbe, és megfigyelték, hogy az oszcillátor rezegni kezdett, amint átalakította ezt a kvantumot egy kvantumnyi rezgési energiává. A kutatók kimutatták, hogy rezgése közben a rezonátor szuperpozíciós állapotában volt, egyszerre nulla és egy energiakvantumot birtokolva.
Az eredmény hatalmas előrelépés annak megválaszolásában, hogy a kvantummechanikai hatások eltínnek-e az objektumokban egy adott méret fölött. Cleland szerint az elv érvényességének határvonalát az eddigi 60 körüli atomszámról mintegy billió (10 a 12. hatványon) atomra emelték a mostani kísérlettel.