Ciekawy sposób manipulowania atomami

Maszyny wykorzystujące pewne zjawiska fizyki kwantowej, charakteryzujące się potencjałem do wykonywania obliczeń wykraczających znacząco poza możliwości konwencjonalnych superkomputerów, mogą zmienić sposób rozwiązywania złożonych problemów na świecie. Postępy w tej dziedzinie pozwolą naukowcom na opracowywanie bardziej wydajnych ogniw słonecznych i lepszych leków, mogą także przełożyć się na postępy w zakresie sztucznej inteligencji. Jest to możliwe, ponieważ w przeciwieństwie do współczesnych komputerów wykonujących operacje na binarnych bitach przyjmujących jeden z dwóch możliwych stanów – 0 bądź 1 – komputery kwantowe wykorzystują kubity, nazywane także bitami kwantowymi. Kubity stanowią odzwierciedlenie stanu atomu lub cząstki elementarnej (takiego jak na przykład spin) i mogą przechowywać kilka wartości jednocześnie dzięki zjawisku nazywanym superpozycją.

Tego rodzaju systemy wykorzystują także zjawisko nazywane splątaniem kwantowym, które Albert Einstein opisał niegdyś jako „upiorne działanie na odległość”. Oznacza to, że nie jest możliwe ich opisanie w sposób niezależny od siebie nawzajem, niezależnie od odległości pomiędzy cząsteczkami. Dzięki zjawisku splątania kwantowego, poszczególne kubity mogą być ze sobą połączone w sposób pozwalający im na posiadanie informacji na temat pozostałej części rejestru. W efekcie komputery kwantowe są w stanie przetwarzać dane równocześnie, dzięki czemu mogą wykonywać algorytmy w rekordowo krótkim czasie, co nie jest możliwe w przypadku klasycznego przetwarzania sekwencyjnego. Największym wyzwaniem w tej kwestii jest jednak wywołanie zjawiska splątania kwantowego oraz zarządzanie kubitami.

Finansowany przez Unię Europejską projekt RYSQ dokonał przełomu właśnie w tej dziedzinie, znacząco poprawiając zrozumienie układów kwantowych opartych na wielu ciałach przez naukowców. Projekt dobiegł końca w 2018 roku, jednak zespół naukowców, twórców gier, projektantów oraz grafików współpracujący z Uniwersytetem w Aarhus, będącym jednym z partnerów projektu, opracował niedawno interesujący sposób nauki dynamiki występującej w złożonych układach. Zespół uważa, że gra i symulator o nazwie Rydbergator mogą zaoferować szereg korzyści dla dziedziny nauki zajmującej się obliczeniami kwantowymi.

Jak wygląda opracowane rozwiązanie?

Gra przedstawia atomy, które oddziałują na siebie na dużych odległościach. Jak można przeczytać na stronie internetowej zespołu, gra wykorzystuje model atomu opracowany przez duńskiego fizyka Nielsa Bohra, w którym elektrony wewnątrz atomów przechodzą pomiędzy orbitami reprezentującymi stany energetyczne, określane mianami stanu podstawowego oraz stanu wzbudzonego. Pojęcie stanu podstawowego odnosi się do poziomu energii, który normalnie posiada elektron. W przypadku gdy elektron otrzyma dodatkową energię, na przykład w wyniku absorpcji fotonu lub światła, a także zderzenia z pobliskim atomem lub cząstką, może przejść do stanu wzbudzonego.

Na tej samej stronie możemy przeczytać, że: „Model ten uwzględnia badania spektroskopowe prowadzone przez szwedzkiego naukowca Johannesa Rydberga, a w szczególności pokazuje, że elektrony mogą orbitować wokół jądra atomowego w dużej odległości, podobnie jak planety zewnętrzne w Układzie Słonecznym. Tego rodzaju orbity określane są mianem stanów rydbergowskich, w przypadku których elektrony atomu znajdują się na orbicie oddalonej od jonowego jądra”. Wystąpienie takiej sytuacji wpływa nawet na ruch elektronów w innych, oddalonych atomach, czego skutkiem są złożone struktury składające się z atomów w stanie podstawowym i wzbudzonym, tworzące duże zespoły.

Trwający trzy lata projekt RYSQ (Rydberg Quantum Simulators) powstał w celu wykorzystania wszechstronności atomów rydbergowskich w różnorodnych symulacjach kwantowych. Opublikowany film prezentuje możliwości gry i zaprasza widzów do zapoznania się z grą i podjęcia próby symulowania wzbudzania atomów w stanach rydbergowskich.

Więcej informacji: strona projektu RYSQ