Šta kafa s mlekom može da nas nauči o kvantnoj fizici?

Tim istraživača Univerziteta Kolorada u Boulderu koristio matematiku da dokaže da je moguć napredak u kvantnim kompjuterima

Kada se malo mleka doda u jutarnju kafu, bela tečnost će se uskovitlati u šolji. Ipak, nakon nekoliko sekundi ti beli tragovi će nestati, a ostaće obična braon tečnost. Nešto slično dešava se u čipovima kvantnih kompjutera, uređajima koji koriste čudne osobine svemira na najmanjem nivou – gde informacije mogu brzo da se nagomilaju i ograniče memorijske sposobnosti ovih alatki.

To ne mora da bude slučaj, kaže Rahul Nandkišor, profesor fizike Univerziteta Kolorada u Boulderu (CUB).

Preporučujemo

U revolucionarnom radu iz teorijske fizike, on i njegove kolege koristile su matematiku da pokažu kako naučnici mogu, u suštini, da stvore scenario u kome se mleko i kafa nikad ne pomešaju, bez obzira na to koliko ih snažno mešate, navodi se u saopštenju CUB.

Otkrića grupe istraživača mogla bi da dovedu do novog napretka u kvantnim kompjuterskim čipovima, što bi moglo da omogući inženjerima novi način za skladištenje informacija u neverovatno malim objektima.

- Pomislite na kretanje uskovitlanog mleka kada ga dodate u jutarnju kafu. Zamislite da ono nastavlja da se kreće i pleše po šolji koliko god da ga gledate – rekao je Nandkišore, glavni autor studije.

Istraživači moraju da izvedu eksperimente u laboratoriji kako bi bili sigurni da je ovo neprestano kovitlanje zaista moguće. Ipak, rezultati predstavljaju veliki korak napred za fizičare koji pokušavaju da naprave materijale koji ostaju van balansa ili ekvilibrijuma tokom dugog perioda.

Kvantna memorija

Studija sa ovim otkrićima objavljena je u poslednjem izdanju Physical Review Letters. Ona se, navodi se u saopštenju, bavi uobičajenim problemom u kvantnom računarstvu.

Normalni kompjuteri rade pomoću bitova, koji imaju formu jedinice illi nule. Nandkišor objašnjava da kvantni kompjuteri, za razliku od njih, koriste kubite, koji mogu da postoje kao jedinice, nule ili, zahvaljujući fenomenu kvantne fizike, kao nule i jedinice istovremeno. Inženjeri su pravili kubite od mnogih stvari, uključujući individualne atome zarobljene u laserima ili malim uređajima nazvanim superprovodnici.

Ali, kao i šolja kafe sa mlekom, kubiti se lako mešaju. Ako se, na primer, svi kubiti pretvore u jedinice, oni će se menjati tamo-vamo sve dok ceo čip ne postane potpuno haotičan.

U novom istraživanju Nandkišor i njegove kolege otkrile su način da zaobiđu tendenciju mešanja. Grupa je proračunala da ako rasporede kubite na određeni način, ti skupovi će zadržati svoje informacije čak i ako se uzdrmaju pomoću magnetnog polja ili na neki sličan način. To bi moglo, kažu fizičari, da omogući inženjerima da naprave uređaj sa vrstom kvantne memorije.

- To bi mogao da bude način skladištenja informacija. Upišeš informacije u taj raspored i informacija ne može da degradira – rekao je on.

Uključivanje u geometriju

U studiji, istraživači su koristili alatke matematičkog modelovanja da zamisle snop od hiljade kubita raspoređenih kao šahovska polja.

Trik je, otkrili su, da se nabiju kubiti na uzak prostor. Ako su kubiti dovoljno blizu, objašnjava Nadkišor, mogu da utiču na ponašanje svojih suseda, skoro kao da se ljudi guraju u telefonskoj govornici. Neki od tih ljudi stoje uspravno ili na glavi, ali ne mogu da se okrenu a da ne gurnu sve ostale.

Istraživači su izračunali da ako rasporede ovo na pravi način, te šeme bi mogle da teku kroz čip kvantnog kompjutera i da nikad ne degradiraju, otprilike kao da se mleko zauvek kovitla u kafi.

- Predivna stvar u ovoj studiji je što smo mi otkrili da možemo da razumemo ovaj fenomen zahvaljujući prostoj geometriji – rekao je Nandkišor.

Otkrića bi mogla da utiču na više toga, ne samo na kvantne računare.

Nandkišor je objasnio da se skoro sve u svemiru, od šolje kafe do okeana, kreće ka onome što naučnici nazivaju „termalni ekvilibrijum“. Ako ubacite kocku leda u kafu, na primer, vrelina kafe će otopiti led, da bi na kraju tečnost imala jednaku temperaturu.

Njegova nova otkrića, međutim, samo su jedno od istraživanja koje sugeriše da neke male organizacije materije mogu da se suprotstave tom ekvilibrijumu, čime na prvi pogled ruše neke od zakona prirode.

- Nećemo morati da promenimo matematiku leda i vode. Polje matematike koje zovemo statistička fizika je neverovatno uspešno u opisivanju stvari s kojima se srećemo svakodnevno. Ali postoje mesta na kojima ne važi – rekao je Nandkišor.

(Telegraf Nauka/CBU)