Kvantu skaitīkļi un 2012. gada Nobeļa prēmija fizikā

Ceļš uz fundamentālās zinātnes “lielajiem mērķiem” - piemēram, Higsa bozonu vai kvantu datoriem - ir ceļojums nezināmajā, kas paver jaunus apvāršņus un negaidītus pielietojumus. Šis stāsts ir par dažiem atklājumiem ceļā uz kvantu datoru izveidi, kuri ļoti praktiskā veidā stiprinājuši augsto tehnoloģiju un ražošanas pašus pamatus - metroloģijas zinātni. Ar šo jomu ir cieši saistīta nupat piešķirtā Nobeļa prēmija fizikā, bet savukārt vienā no šī ceļa takām - “kvantu skaitīkļu” izveide no nanotranzistoriem - ir arī Latvijas fiziķu pēdas.

Metroloģija no senatnes līdz mūsdienām

Metroloģija ir zinātne par precīzu mērīšanu un mērvienībām. Tā ir tikpat sena kā pati civilizācija - jo civilizācija nav iespējama bez tirdzniecības, bet tirgotājam jāzin, cik daudz viņš pērk vai pārdod. Vissenākais un vistiešākais veids, kā vienoties par mēriem, ir izvēlēties mērvienību paraugus jeb etalonus. Piemēram, Londonā Trafalgāras laukumā ir atrodami 1876. gadā bronzā iekaltas pēdas un jarda etalonu kopijas.

Vienkāršākie mērvienību etaloni ir saistīti ar konkrētu, unikālu priekšmetu, kura īpašība (piemēram, masa) definē mērvienību. Savukārt 20. gadsimta revolūcijas fizikā - kvantu un relativitātes teorijas - pavēra ceļu uz etaloniem, kas balstās universālajos fizikas likumos un ir realizējami neatkarīgi no konkrētiem priekšmetiem-etaloniem. Attīstoties 21. gadsimta zinātnei un tehnoloģijām, nemitīgi pieaug prasības mērīšanas un etalonu precizitātei, un mūsdienu metroloģija iet kopsolī ar fundamentālo fiziku. Abas strādā uz tehnoloģisko iespēju robežas, kāpjot tai pāri un radot vēl nebijušas iespējas.

Kvantu izaicinājums un 2012. gada Nobeļa prēmija

Mūsdienu metroloģijas ciešo saikni ar fundamentālo fiziku lieliski apliecina 2012. gada Nobeļa prēmija fizikā Seržam Harošam (Serge Haroche) un Dāvidam Vainlandam (David Wineland).  Vainlands strādā ASV Nacionālajā metroloģijas institūtā (National Institute of Standards and Technology, NIST). Abu laureātu darbs ir saistīts ar fizikas fundamentālāko un mūsdienās visprecīzāk izmērāmo lielumu – laiku.

Lai mērītu laiku, ir vajadzīgs pulkstenis – fizikāla iekārta. Bet pulksteņa „sirds” (tiešā nozīmē!) ir svārsts, jeb, kā fiziķi to sauc svešvārdā, oscilators. Mūsdienu visprecīzākos pulksteņus sauc par atompulksteņiem  jo to „sirds” ir elektronu svārstības atomos vai jonos. (Jons ir atoms, kam trūkst vai ir par daudz elektronu, tas ir elektriski lādēts un līdz ar to viegli noturams vakuumā ar elektrisko lauku).

To, kā svārstās elektroni atomā, apraksta nu jau teju 100 gadu vecā fizikas teorija – kvantu mehānika. Tā ir radusies tieši no fiziķu centieniem saprast, kā ir uzbūvēts atoms. Bet šo atompasaules neparasto likumu saistība ar ikdienas (kā fiziķi saka – klasisko) pasauli nekad nav bijusi līdz galam skaidra. Līdz nesenam laikam tā bija izpētāma tikai „domu eksperimentos”. Šo situāciju ir palīdzējuši mainīt šī gada Nobeļa prēmijas laureāti. Viņi ir attīstījuši tehnoloģijas, ka ļauj vakuumā satvert un kontrolēti ietekmēt atsevišķus jonus un gaismas daļiņas, atsedzot to kvantu īpašības. Ieguvēja ir ne tikai kvantu fizika, bet arī metroloģija: Vainlanda komanda ir radījusi “jonu pulksteni”, kura sirds “pukst” simtiem reižu ātrāk un precīzāk, nekā pašreizējam sekundes etalonam, cēzija atompulkstenim.

Kvantu skaitīkļi un strāvas etalons

Nanoelektronikas pētījumu Latvijas universitātē lielais mērķis ir realizēt šīs pašas „..metodes, kas ļauj mērīt un manipulēt ar atsevišķajiem kvantu sistēmām” (citāts no Nobeļa komitejas paziņojuma 2012. gada 9. oktobrī). Atšķirībā ir tikai tajā, ka atomu un vakuuma kameru vietā mēs pētām atsevišķos elektronus nanotranzistoros (t.s. kvantu punktus). Mēs strādājam no teorijas puses, savukārt eksperimenti ar atsevišķu elektronu manipulēšanu tiek veikti Eiropas lielvalstu -- Vācijas un Lielbritānijas -- nacionālajos metroloģijas institūtos. Vācijā tas ir Fizikas un tehnikas federālais institūts Braunšveigas pilsētā (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB).

Tuvākais šo kvantu tehnoloģiju pielietojums ir saistīts ar elektronikas pamatlielumu – strāvu un tās mērvienību ampēru.Strāva ir noteikts lādiņa daudzums laika vienībā. Pateicoties kvantu mehānikai, laiku un frekvenci mēs protam mērīt precīzāk par visiem citiem lielumiem. Ja vien mēs prastu skaitīt elektronus tik pat droši un nekļūdīgi kā, piemēram, domino kauliņus, tad strāvu varētu mērīt, vienkārši saskaitot elementārlādiņu (elektronus) skaitu vienā sekundē.

Mēs strādājam pie tā saucamo kvantu sūkņu teorijas, kas cenšas noskaidrot fundamentālās robežas, ar kurām precīzo skaitīšanu ierobežo kvantu fizikas pamatlikumi. Šī sapratne attīstās soli pa solim – vienu soli teorija, otru eksperiments utt. –  ejot uz priekšu nezināmajā. Šogad kopā ar LU studentiem esam spēruši vēl vienu soli uz priekšu kvantu sūkņu teorijā: novembra beigās ASV prestižākajā fizikas žurnālā (Physical Review Letters) ir publicēts mūsu raksts par to, kā atsegt kvantu punktā ieslazdotā elektrona viļņu īpašības. Izrādās, ka tieši tas, ka elektrons ir kvantu daļiņa un līdz ar to uzvedas arī kā vilnis, ir minētais fundamentālais šķērslis jaunā strāvas etalona izveidei. Mums izdevies izstrādāt metodi, kā radīt tik precīzu kvantu sūkni, cik vien pieļauj Heizenberga nenoteiktības princips (kas ir viens no kvantu fizikas stūrakmeņiem).

Skats nākotnē

Praktiskie sasniegumi motivē tālākus fundamentālos pētījumus. Kvantu nanoelektronikas nākotne ir spoža: cīņā par labāko iespējamo precizitāti ir apzināti veidi, kā kvantu punktu pārvērst no “elektronu trauciņa” par kvantu informācijas glabātuvi. Jaunais lietišķais virziens ir lādiņu skaitītāju izmantošana ļoti jūtīgiem mērījumiem, kas pietuvojas kvantu nenoteiktības diktētajai robežai. Un ja ņemam vēsturi par paraugu, var droši apgalvot, ka nākotnē fizikas un metroloģijas draudzība sagādās vēl nevienu vien noderīgu un pārsteidzošu atklājumu.

Šajā rakstā minētie Latvijas zinātnieku sasniegumi ir tikai daļa no starpdisciplināra pētījumu projekta „Datorzinātnes pielietojumi un tās saiknes arkvantu fiziku” rezultātiem. Projekts tika īstenots Latvijas Universitātes Datorikas fakultātē no 2009. gada 1. decembra līdz 2012.gada 30. novembrim Eiropas struktūrfondu programmas 2007.-2013.gadam „Cilvēkresursi un nodarbinātība” aktivitātas „Cilvēkresursu piesaiste zinātnei” ietvaros. Projekta kopējās izmaksas ir 1 242 000 lati, no kurām 85% ir Eiropas Sociālā fonda līdzfinansējums.

Populāri par Higsa Bozonu

[sākotnēji publicēts Higsa bozona atklājuma paziņošanas dienā Google Plus vietnē]

Par daļiņām, kas veido pasauli, bija aizdomājušies vēl senie grieķi. Tomēr tikai mūsdienās zinātnieki ir iemācījušies izzināt, kādas tās daļiņas ir un kādus likumus ievēro.  Tādu daļiņu, kas ir stabilas un veido matēriju mums apkārt, nemaz nav daudz. To īpašības ir labi zināmas, rūpīgi pārbaudītas un tiek lietotas uz katra soļa. Bet ir arī retas, eksotiskas daļiņas, kas rodas tikai īpašos apstākļos un pēc mirkļa atkal sarbūk. Līdzīgi notiek ar radioaktīvajiem atomiem, tikai eksotiskās daļiņas dzīvo vēl īsāk. 

Dabā eksotiskās daļiņas noķert un izpētīt praktiski nav iespējams, tādēļ fiziķi būvē speciālas jaudīgas, jūtīgas un ļoti sarežģītas iekārtas, ko sauc pa daļiņu paātrinātājiem. Tie paātrina un pēc tam „sadauza kopā” parastās matērijas „pikučus” (piemēram, mākoņus ar ūdeņraža atomu kodoliem – protoniem). Tādās sadursmēs rodas daudz „šķembu”, un jo spēcīgāka sadursme, jo retāko daļiņu sugu pārstāvjus var uz mirkli „materializēt”. Precīzi mērot uz visām pusēm aizlidojušo šķembu pēdas, fiziķi var izpētīt, kas bija noticis sadursmes brīdī un līdz ar to precīzi pārbaudīt fizikas likumus.

Eksotisko daļiņu jeb “mirkļā uzplaiksnījumu” izpēte 20. gadsimta otrā pusē ļāva zinātniekiem izveidot kompaktu, matemātiski skaistu un ļoti precīzu teoriju, ko sauc par Standartmodeli. Tas ir burtiski fundaments, uz kura stāv visa fizikas ēka. Par standartu Standartmodelis tiek saukts tāpēc, ka visas mums līdz šim zināmās daļiņas un spēki  “danco” precīzi pēc Standartmodeļa priekšrakstiem (ar vienu būtisku izņēmumu – smaguma spēku). 

Visi svarīgie likumi un daļiņas, ko paredz Standartmodelis, ir jau atklātas un pārbaudītas, atskaitot vienu –  t.s. Higsa bozonu. “Higsa bozons” ir kā  vārds un uzvārds. Vārds “Higss” ir iedots par godu bozona “tēvam” – angļu fiziķim-teorētiķim Pīteram Higsam, kas ir viens no Standartmodeļa autoriem. Savukārt “bozons” ir uzvārds – visas daļiņas (gan parastās, gan eksotiskās) pieder vienai no divām saimēm: vai nu “bozoni”, vai nu “fermioni”.  Paredzējums (hipotēze) par Higsa bozona eksistenci nāk no pašiem Standartmodeļa pamatiem – no pieņēmuma par visaptverošo Higsa lauku. Higsa lauks pievelkot citas daļiņas un ļauj tām „nostāvēt uz vietas” (fiziķi saka – piešķir masu). Piemēram, gaismas daļiņas Higsa lauks nepievelk, tādēļ gaismu nevar apturēt un, piemēram, ielikt tukšā kastē. Kamēr Higsa bozons nav radīts un detektēts, mums nav pamata teikt, ka Higsa lauks ir reāls un Standartmodeļa teorija paliek „gaisā karājoties”, līdz galam nepārbaudīta.

Lielākais pasaulē daļiņu paātrinātājs atrodas Šveicē, un to sauc par Lielo hadronu paātrinātāju.Tas ir izbūvēts ar mērķi sasniegt tik lielas enerģijas un tik smalku jūtību, lai uzzinātu, vai Higsa bozons tiešām eksistē un vai tas pakļaujas Standrtamodeļa priekšrakstiem. 

2012. gada 4. jūlijā zinātnieki, kas strādā ar Lielo hadrona pāatrinātāju, ir ziņojuši par daudzu gadu darba galveno rezultātu. Ir atklāta daļiņa, kuras pirmās izmērītās īpašības atbilst Higsa bozonam. Jaunatklātā bozona masa ir izrādījusies liela, bet ne pārāk: tādi pati, kā 134 ūdeņraža atomiem. Priekšā ir liels darbs lai rūpīgi izpētītu jaunās daļiņas uzvedību un izzināt, cik precīzi tā atbilst Standartmodeļa teorijai. Pat mazākas novirzes var pateikt ko būtiski negaidītu par materiālās pasaules tikko sasniegto attālo „nostūri”.

Fundamentālā fizika ir sasniegusi jaunu virsotni, bet šī virsotne noteikti nav pēdējā. Standartmodelis neatbild uz vairākiem fundamentāliem un vēl neatrisinātiem jautājumiem: kā apvienot kvantu teoriju un gravitāciju? no kā sastāv tumšā matērija? kāpēc Visums izplešas pāatrināti? 

Ir arī jāatceras, ka fizikas pamatlikumu zināšana netuvu nepasaka visu par fiziku – pat ļoti vienkāršās situācijās ar daudzām daļiņām no pamatlikumiem ir maz jēgas. Fiziķiem ir nemitīgi jāatklāj jauni domāšanas veidi, jārada jaunas teorijas un jāapliecina tās praksē – pasaules izziņa nekad neapstājas.