11.12.2018
PL EN
23.07.2018 aktualizacja 23.07.2018
Katarzyna Florencka
Katarzyna Florencka

Fizyk w krainie zimnych atomów

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Do czego mogą posłużyć zimne atomy? Choćby do projektowania materiałów przyszłości! O swoich badaniach nad chłodzeniem atomów opowiada PAP dr Mariusz Semczuk, fizyk z UW.

Wyobraź sobie, drogi czytelniku, że jesteś przedsiębiorcą. Naukowcy z twojego działu B+R dzień i noc pracują nad urządzeniem, które zmieni losy świata. Nagle jednak na ich drodze pojawia się poważna przeszkoda: aby projektowana maszyna działała tak, jak należy, do jej budowy trzeba użyć materiału o bardzo konkretnych właściwościach. Taki materiał jednak nie istnieje.

Czy wszystko już stracone, a droga postępu raz na zawsze zablokowana? Otóż nie - potrzebny materiał można po prostu zaprojektować i wykonać. Droga ku temu jest jednak dość skomplikowana.

"Nie wygląda to tak, że ktoś przychodzi do laboratorium, miesza dwa składniki i liczy, że wyjdzie mu z tego nowy materiał, który przy wzroście temperatury jest np. w stanie rozszerzyć się o 5 mm, a skrócić przy jej spadku" - stwierdza w rozmowie z PAP dr Mariusz Semczuk z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Zanim nowy materiał zostanie wyprodukowany, w celu uniknięcia kosztownych błędów warto najpierw przeprowadzić symulacje komputerowe. Pomagają one zaprojektować materiał tak, aby spełniał nasze oczekiwania. Usprawnienie takich symulacji - to cel badań prowadzonych przez dra Semczuka.

Jak tłumaczy naukowiec, w wielu przypadkach niezbędne kalkulacje są na tyle skomplikowane, że moc obliczeniowa klasycznych komputerów nie wystarcza już do ich przeprowadzania. Duże nadzieje wiązane są w tym wypadku z komputerami kwantowymi - maszynami, które do obliczeń miałyby wykorzystywać prawa mechaniki kwantowej. Wielokrotnie zwiększyłoby to w nich te jakże cenne moce obliczeniowe.

W pełni funkcjonujące komputery kwantowe wciąż znajdują się jedynie w fazie planów - lecz to właśnie wokół nich koncentrują się naukowe zainteresowania dra Semczuka.

"Chcę zrobić pierwszy krok: przygotować platformę, na podstawie której można będzie rozwijać tzw. symulatory kwantowe" - tłumaczy. "Urządzenia te można porównać do komputera o ogromnej mocy, przeznaczonego do wykonywania jednego konkretnego zadania, np. do tworzenia symulacji pogody na danym obszarze" - mówi. Zadaniem symulatorów kwantowych jest obliczanie kwantowych własności materiałów.

Jako poważny kandydat do zastosowania w symulatorach i - później - w komputerach kwantowych rozważane są tzw. zimne atomy. Pytanie jednak brzmi: czy wykorzystujące zimne atomy symulatory mogą działać wydajnie i z jak najmniejszą ingerencją człowieka. "Współczesne metody, które pozwalają na chłodzenie atomów, są bardzo skomplikowane. Stanowi to problem z punktu widzenia ich ewentualnych zastosowań komercyjnych - nie podejrzewam, żeby firmy z chęcią zatrudniały całe grupy fizyków do utrzymywania komputera w stanie gotowości" - stwierdza.

"W moim projekcie chciałbym znacznie skrócić czas potrzebny na przygotowanie atomów w symulatorze kwantowym czyli tzw. inicjalizację" - mówi dr Semczuk. "Standardowa procedura prowadząca do otrzymania wyniku przez symulator składa się z kilku etapów, przy czym sama inicjalizacja tych atomów trwa 5-10 sekund - podczas gdy sam proces pomiaru trwa często dużo mniej niż 500 milisekund! Należy przy tym pamiętać, że aby komukolwiek przydało to się w laboratorium, takie pomiary trzeba wykonywać setki czy tysiące razy. W tym kontekście te kilka sekund na początku to strata czasu" - podkreśla.

Aby lepiej zobrazować sobie rolę długiego czasu inicjalizacji w symulatorze kwantowym, dr Semczuk proponuje, aby wyobrazić sobie, że potrzebujemy z naszego komputera jakiejś konkretnej informacji - lecz komputer jest wyłączony. "Aby więc uzyskać do niej dostęp, trzeba uruchomić komputer, otworzyć plik, rzucić na niego okiem, po czym zamknąć komputer z powrotem. Choć więc samo spojrzenie na plik może zająć tylko pięć sekund, to na uruchomienie komputera trzeba poczekać, czasem nawet i kilka minut" - opowiada.

"Oczekuję, że uda mi się zejść z czasem przygotowania do 500 milisekund - co już jest porównywalne z czasem trwania późniejszych symulacji" - dodaje Semczuk.

Co jednak z atomami już schłodzonymi? Naukowcy planują umieścić je w tzw. sieci optycznej. Tworzą ją krzyżujące się wiązki laserów, które ze sobą oddziałują - a w tzw. maksimach interferencyjnych (oczkach sieci) umieszczać możemy pojedyncze atomy. "Okazuje się, że atom leżący w pojedynczym oczku sieci optycznej zachowuje się jak elektron w kryształach: z matematycznego punktu widzenia jego zachowanie jest takie samo. Jest to więc sztuczny kryształ."

Jeśli nasz projektowany materiał miałby więc być kryształem, to jeszcze przed wytworzeniem go, mamy możliwość sprawdzenia jego właściwości.

"W przypadku prawdziwych kryształów ograniczają nas pewne konkretne właściwości fizyczne atomów i narzucone przez nie oddziaływania. Jako przykład można tutaj podać choćby odległości pomiędzy atomami. Owszem, możliwa jest ich modyfikacja - ale zdecydowanie nie jest to rzecz trywialna. Dlatego warto wcześniej sprawdzić, jak będzie się zachowywał po zmianie jednego z parametrów materiał - i do tego właśnie posłużyć mogą symulacje przeprowadzane w sieciach optycznych, gdzie zmianę wprowadzić jest łatwo, np. poprzez zmianę kąta przecięcia się wiązek tworzących sieć optyczną" - podsumowuje badacz.

PAP - Nauka w Polsce

autorka: Katarzyna Florencka

kflo/ ekr/

Copyright © Fundacja PAP 2018