Zespół z ETH Zurich przeprowadził eksperyment, który jeszcze niedawno uchodził za niemożliwy. Przy pomocy precyzyjnej pęsety optycznej uniósł w powietrzu trzy szklane nanosfery, z których każda zawierała około 100 milionów atomów. Cały ten obiekt, dziesięciokrotnie mniejszy od ludzkiego włosa, utrzymano w niemal doskonałym bezruchu dzięki precyzyjnie kontrolowanym wiązkom laserowym.
Kluczem okazało się stłumienie szumu fazowego lasera o około 20 decybeli. Ten zabieg pozwolił badaczom zaobserwować subtelny ruch drżący klastra, znany jako fluktuacja punktu zerowego. Rejestrowano oscylacje rzędu miliona wychyleń na sekundę, przy nieprawdopodobnej precyzji pomiaru – z dokładnością do jednej tysięcznej stopnia.
Do osiągnięcia tego rezultatu niezbędne było stworzenie warunków próżni oraz wykorzystanie wnęki Fabry’ego-Pérot do chłodzenia metodą spójnego rozpraszania. Dzięki temu badaczom udało się kontrolować tryb libracyjny o częstotliwości 1,08 MHz z bezprecedensową dokładnością.
Kwantowa czystość bez ekstremów. Wyjątkowe osiągnięcie
Najbardziej imponujący aspekt tego eksperymentu to osiągnięta czystość kwantowa na poziomie 92%. Oznacza to, że niemal cały ruch klastra wynikał z efektów kwantowych, podczas gdy zaledwie 8% powodowały klasyczne zakłócenia fizyczne. Wynik ten znacząco przewyższa poprzednie rekordy: lewitujące systemy osiągały 47% czystości, a zamocowane oscylatory 34%. Co ciekawe, rezultat ten dorównuje nawet niektórym systemom kriogenicznym działającym w temperaturach bliskich zera absolutnego.
Czytaj także: Lewitacja naprawdę istnieje. Naukowcy pokazali, jak do niej doprowadzić
Najważniejsze jednak, że całość przeprowadzono w temperaturze pokojowej. Dotychczas badania kwantowe wymagały schładzania obiektów do około -273°C, co generowało ogromne koszty i wymagało skomplikowanej infrastruktury. Wyeliminowanie tego wymogu może otworzyć drogę do szerszego zastosowania technologii kwantowych.
Badania opublikowane w Nature Physics potwierdzają, że nawet obiekty makroskopowe mogą podlegać prawom mechaniki kwantowej. To ważne odkrycie, choć warto pamiętać, że od laboratorium do komercyjnych zastosowań droga bywa długa.
Praktyczne perspektywy. Gdzie wykorzystamy tę wiedzę?
Opracowana metodologia może doprowadzić do powstania ultraprecyzyjnych czujników kwantowych. W nawigacji mogłyby one oferować dokładność pomiaru przekraczającą dzisiejsze standardy. W medycynie potencjalnie umożliwiłyby tworzenie urządzeń obrazujących o nieosiągalnej dotąd rozdzielczości – wyobraźmy sobie skanery wykrywające zmiany na poziomie pojedynczych komórek czy monitorujące aktywność neuronów w czasie rzeczywistym.
Jednym z ciekawszych potencjalnych zastosowań jest wykrywanie ciemnej materii. Metoda pozwala rejestrować minimalne siły pochodzące od cząsteczek gazu, co w skali kosmicznej mogłoby umożliwić bezpośrednią detekcję tej tajemniczej substancji stanowiącej większość materii we wszechświecie.
Droga do komercjalizacji. Wyzwania i nadzieje
Zniesienie konieczności ekstremalnego chłodzenia może znacząco obniżyć koszty i przyspieszyć wdrażanie technologii kwantowych. System opracowany w Zurychu ma stosunkowo prostą konstrukcję, co budzi nadzieje na przyszłą komercjalizację. Trzeba jednak zachować ostrożny optymizm – historia uczy, że przejście od laboratoryjnego prototypu do masowego zastosowania często zajmuje lata i napotyka nieprzewidziane trudności.
Dla świata nauki eksperyment otwiera nowe możliwości badania relacji między grawitacją a mechaniką kwantową. Kontrolowane obiekty makroskopowe w stanie kwantowym mogą pozwolić na testowanie teorii dotąd istniejących jedynie w sferze obliczeń matematycznych.
To osiągnięcie zaciera granicę między mikroświatem cząstek elementarnych a rzeczywistością, którą postrzegamy na co dzień. Choć rewolucja nie nastąpi jutro, badania z ETH Zurich pokazują wyraźnie, że przyszłość technologii kwantowych może być bliższa i bardziej dostępna, niż sądziliśmy.