Chování světa v lidských dimenzích popisují zákony klasické fyziky. V běžném životě si s nimi bohatě vystačíme, problém ovšem nastává, jakmile se ponoříme do hájemství molekul, atomů a elementárních částic. V těchto měřítkách už totiž klasické zákony neplatí, neboť se začínají významně projevovat kvantové efekty a klasická fyzika musí být nahrazena kvantovou.
Klasický versus kvantový systém
Příští rok tomu bude sto let, kdy německý fyzik Max Planck publikoval svůj slavný článek o záření absolutně černého tělesa, který de facto kvantovou revoluci ve fyzice odstartoval. Základní koncepce kvantové fyziky byly formulovány ve dvacátých letech minulého století za přispění mnoha vědců ze všech koutů světa, včetně Alberta Einsteina.
Přestože od té doby uběhlo hodně času a věda na tomto poli učinila řadu významných objevů, bez nichž si současný život už snad ani neumíme představit (počítače, lasery či mobilní telefony), je kvantový svět pro většinu z nás stále zahalen rouškou tajemství. Některé závěry kvantové fyziky jakoby se příčily "zdravému" rozumu.
A není divu. Na klasické úrovni se zdá být všechno poměrně jednoduché – stačí sestrojit pokusné zařízení a poté jen sledovat, co se s ním děje. Člověk to tak dělá už tisíciletí. Ale jak zjistit, jak věci fungují v kvantovém světě?
Tady začínáme narážet na překážky, protože v podstatě každý, i ten nejjednodušší kvantový experiment vyžaduje vývoj dosud neznámých experimentálních zařízení a metod měření.
Vědci se v tomto případě často ocitají ve slepé uličce, neboť vývoj těchto technik a aparatur zpětně závisí na našich znalostech, na našem porozumění kvantových zákonitostí. Jak tedy z toho ven? Jak pozorovat něco, co ještě neznáme, když k tomu potřebujeme umět to, co se teprve chystáme odhalit? Trochu to připomíná začarovaný kruh.
Kvantové simulátory
Vědci se domnívají, že by tento problém mohly vyřešit kvantové simulátory. Tak nazýváme kvantové systémy, jejichž vlastnosti jsou nám dobře známy (a tudíž je dokážeme poměrně snadno a efektivně ovládat), které napodobují chování jiných kvantových objektů, jejichž procesy chceme studovat. Díky nim bychom pak mohli zkoumat kvantové děje, jejichž studium by bylo jinak velmi obtížné, ne-li v některých případech zhola nemožné.
Ačkoli vědci dosud navrhli celou řadu fyzikálních systémů, které by bylo možné pro tyto účely využít, reálnou koncepci univerzálního kvantového simulátoru, o které uvažoval již v roce 1982 věhlasný Richard Feynman, zatím nikdo nepředložil. Krok kupředu se v tomto ohledu pokusili udělat Julia Bulutaová a Franco Nori, dvojice fyziků z japonského výzkumného ústavu RIKEN.
|
Kvantové simulátory by mohly být využity v atomové fyzice či fyzice kondenzované hmoty... |
Zkoumání neznáma
Bulutaová a Nori nejprve provedli důkladnou analýzu všech možných návrhů kvantových simulátorů a poté z nich vybrali ta řešení, která by v budoucnu mohla vést až k jejich praktickým aplikacím.
"Kvantové simulátory by mohly být využity například v atomové fyzice či fyzice kondenzované hmoty," tvrdí Nori. Při tom vyzdvihuje především fakt, že pomocí regulovatelných kvantových simulátorů by bylo možné modelovat zcela nové, dosud nepoznané fyzikální procesy.
Druhy kvantových simulátorů
A jak by asi měly budoucí kvantové simulátory vypadat? Norimu se jeví jako nejslibnější možnost využít při jejich konstrukci pravidelně se opakujících struktur z atomů nebo iontů, které by držely pohromadě působením buď optických nebo elektromagnetických polí.
Interakcemi mezi jednotlivými atomy lze totiž podle Noriho poměrně zdařile modelovat chování komplexních systémů. V praxi by to znamenalo, že pokud bychom chtěli například vytvořit model elektrické vodivosti, zkoumali bychom přechodové stavy mezi izolantem a vodičem, ve kterém atomy přestávají být fixovány na místě a začínají se volně pohybovat.
Jako další slibná alternativa se ukazují být elektronické součástky (miniaturní elektronické obvody tvořené supravodivými vlákny), ty by se mohly při konstrukci regulovatelných kvantových simulátorů rovněž uplatnit.
Problémy, které je třeba překonat
Schůdnost těchto tří přístupů k simulátorům (optické, elektromagnetické a elektronické) již byla v minulosti několikrát experimentálně ověřena. Avšak vědci se stále potýkají se spoustou obtíží. Velký problém představuje zejména univerzálnost kvantových simulátorů.
Ta je vysoce požadována, cílem je dosáhnout toho, abychom na jednom simulátoru mohli zkoumat různé kvantové děje. Další potíž je spojena s funkční synchronizací velkého počtu součástí kvantových systémů, té zatím dosaženo nebylo.
Jak přiznává dr. Bulutaová, ohledně programování kvantových simulátorů se máme pořád ještě co učit. Ovšem výsledky nedávných experimentů s kvantovými počítači svědčí o tom, že pesimismus vůbec není na místě. Jasně to dokládá následující Noriho věta: "Úroveň potřebná pro řízení kvantových systémů máme nyní na dosah."
Zdroj:
