Fizica cuantică este la baza unor noi tehnologii, precum computerul cuantic, care se bazează pe qubit: un sistem care folosește suprapunerea de stări. Menținerea îndelungată a unui qubit este însă dificilă, datorată așa-numitei „decoerențe”. În acest context noul record obținut de un grup de cercetători care a folosit carbura de siliciu și laseri este remarcabil: 5 secunde.

Fizica cuantică

Mecanica cuantică este teoria la baza actualului Model Standard al particulelor elementare. Este o teorie care are că obiect, în loc de poziții și viteze, așa-numita funcție de undă, în ecuațiile care descriu comportamentul sistemelor cuantice. Fizica cuantică funcționează extrem de bine: toate experimentele făcute până în prezent au verificat cu mare precizie această teorie. Interpretarea acestei teorii însă este mai complicată și nu toți oamenii de știință sunt de acord cu o unică interpretare. Proprietățile cuantice stau inclusiv la baza unor noi aplicații, care vor produce o tehnologie nouă, cea a viitorului.

Proprietăți cuantice

În cadrul mecanicii cuantice există o serie de proprietăți remarcabile, precum suprapunerea de stări și așa-numitul entanglement. Suprapunerea de stări înseamnă că un sistem cuantic se poate găsi în același timp în două sau mai multe stări simultan. Entanglementul descrie sistemele/particulele care au interacționat între ele sau s-au născut împreună – acestea rămân într-o corelație cuantică independent, de exemplu, de distanța dintre ele. Aceste proprietăți stau la baza unor noi tehnologii, precum computerele cuantice.

Qubit

Dacă la baza calculatoarelor actuale stă conceptul de bit, adică 0 sau 1 (curentul electric trece sau nu trece prin circuit) la baza unui computer cuantic este  așa-numitul qubit – un sistem cuantic în suprapunere de stări – adică  0 și 1 în același timp. Posibilitatea de a folosi qubiții în loc de biți crește enorm puterea de calcul. Din acest motiv la ora actuală multe laboratoare din lume încearcă să crească numărul de qubiți. Este însă dificil, deoarece suprapunerea de stări este fragilă – se distruge atunci când sistemul cuantic intră în contact (interacționează) cu alte sisteme – precum molecule de aer. Are loc așa-numită decoerență care distruge qubitul. Menținerea în viață pe o perioadă cât mai îndelungată a qubiților este una dintre cele mai importante activități în acest context.

Un nou record

Folosind circuite din carbură de siliciu, un material relativ ieftin, și lasere, un grup de cercetători a reușit să obținut un nou record. Practic, au reușit mai întâi să adauge un electron, prin pulsuri laser, sistemului cuantic de qubiți din circuitul carburei de siliciu; proprietățile electronului depinzând de starea cuantică a qubitului. Au citit pe urmă semnalul – e mult mai ușor de lucrat cu electroni – tot cu ajutorul laserilor. Prin această metodă – rezultatele fiind publicate în Science Advance – s-a reușit obținerea unui semnal mai mare de circa 10.000 de ori. Purificând cât mai mult carbura de siliciu au reușit inclusiv, prin folosirea unor pulsuri de microunde, să prelungească durata de timp în care sistemul menține informația cuantică la 5 secunde, un adevărat record față de microsecundele sau milisecundele altor sisteme folosite până la ora actuală. Acest lucru ar permite un număr mult mai mare de operații cuantice asupra sistemului, până la 100 de milioane – ducând la creșterea puterii de calcul.

Viitorul tehnologiilor cuantice

Rezultate precum cel despre care v-am relatat arată că tehnologiile cuantice sunt încă în faza inițială. În viitor vom asista la o creștere enormă a capacității de calcul pentru computerele cuantice, dar și la apariția unor noi tehnologii, pe care poate încă nici nu ni le putem imagina la ora actuală. Pentru cei tineri și interesați în aceste tehnologii este o perioada ideală pentru a studia mecanica cuantică și minunatele posibilități pe care le oferă!

Rubrică realizată de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesoară de Fizică la Colegiul Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe