Niebywałe, że mimo upływu stu lat badań, słowo “kwant” nadal brzmi jak ciekawostka, słowo zaczerpnięte z fantastyki lub abstrakcyjny przedmiot zainteresowania wąskiej grupy jajogłowych. Tymczasem, macki tej egzotycznej teorii już dawno opuściły filmy science-fiction i wtargnęły do naszego życia codziennego.
Oto tylko niektóre spośród pośrednich i bezpośrednich zastosowań mechaniki kwantowej.
1. Tranzystor
Najpowszechniej występującym pierwiastkiem na Ziemi jest tlen, a drugi krzem. W różnej formie, zawiera go większość skał, gleb i wód podziemnych skorupy ziemskiej. Pospolity materiał zyskał na wartości na początku ubiegłego stulecia, gdy okazało się, że wystarczy dodać trochę fosforu i boru, aby do zyskał on cechy zarówno izolatora jak i przewodnika. Po połączeniu w pary atomów krzemu i fosforu, jeden elektron zawsze pozostaje wolny, pozwalając na przepływ prądu. Znowuż, przy połączeniu atomów krzemu z borem powstaje dziura, przyciągająca swobodne elektrony. Wykorzystując oba typy półprzewodników udało się stworzyć tranzystor – podstawowy element niemal wszystkich urządzeń elektronicznych. Bez tranzystora nie byłoby pralek automatycznych, nowoczesnego radia czy telewizora i przede wszystkim wszechobecnych w dzisiejszym świecie układów scalonych. Bez nich, pewnie musielibyśmy nadal korzystać z nieco nieporęcznych komputerów opartych na lampach elektronowych.
2. Zegar atomowy
Dawne zegary wahadłowe odliczały czas na podstawie równomiernych ruchów wahadła. Zegary atomowe działają na podobnej zasadzie, z tym, że okresowe tykanie zastąpiły drgania pojedynczego atomu cezu lub jonu aluminium. Regularne zjawiska kwantowe nie podlegają tarciu i wielu innym czynnikom zewnętrznym, co zapewnia niezrównaną punktualność. Jeden z zegarów cezowych, znajdujący się w Wielkiej Brytanii, daje gwarancję spóźnienia nie większego niż jedna sekunda na 138 milionów lat. Amerykanie znacznie przebili ten rekord, tworząc maszynę zapewniającą dokładny pomiar czasu przez 3,7 miliardów lat! Po co komu tak piorunująca punktualność? Jak na razie przydała się do pomiaru potwierdzającego założenia ogólnej teorii względności, jak i do synchronizacji systemu GPS.
3. Laser
Kiedy włączamy lampkę, możemy zaobserwować chaotyczną i rozproszoną emisję fotonów. Tego typu światło towarzyszy nam na co dzień i umożliwia chociażby widzenie. Amerykański badacz Theodore Maiman zadał sobie pytanie: co się stanie jeśli wyemitujemy złożone z identycznych fotonów światło spójne? Aby to sprawdzić, Maiman skorzystał ze zjawiska emisji wymuszonej. Popieścił fotonem atomy kryształu rubinu, inicjując coś na kształt reakcji łańcuchowej. Uderzony elektron wchodził w stan wzbudzony, po czym spadał z powrotem do stanu podstawowego, emitując przy tym kolejny foton inicjujący następną reakcję. Kluczem było jednak to, że polaryzacja oraz kierunek ruchu fotonów był taki sam, co pozwalało na stworzenie zwartej wiązki. Nie będzie przesadą jeśli stwierdzę, że dla współczesnych technologii lasery są niemal tak ważne jak światło słoneczne dla żywych organizmów. Spotykamy je wszędzie: od medycyny (korekcja wzroku), przez komputery (odczyt informacji), wojskowość, metalurgię, komunikację, aż po astronomię (optyka adaptacyjna). Pozostaje czekać na broń laserową, podobną do tej jaką posługiwali się ARC Trooperzy z Gwiezdnych Wojen.
4. Ogniwa słoneczne
To niezwykłe, że logiczna przyszłość i rozwiązanie wszelkich problemów energetycznych, towarzyszy Ziemi od początku jej istnienia. Słońce w każdej sekundzie emituje niesamowite, z naszego punktu widzenia, ilości energii, które bezpowrotnie uchodzą w przestrzeń kosmiczną. Energetyka słoneczna rozwija się relatywnie bardzo szybko, jednak wciąż nie przekracza nawet 1% światowej produkcji elektryczności. Nie zmienia to faktu, że najbliższa nam gwiazda ma wielki potencjał, a my prędzej czy później musimy nauczyć się go wykorzystywać. Elektrownie słoneczne opierają swoje działanie na ogniwach fotowoltaicznych, a te z kolei nie mogłyby istnieć gdyby nie kwantowe zjawisko fotoelektryczne. Jego objaśnienie zawdzięczamy samemu Einsteinowi, który zauważył, że skoro światło ma charakter cząsteczkowy, to jego kwanty uderzając w powierzchnię metalu powinny wybijać elektrony generując energię. Właśnie to zjawisko wykorzystują ogniwa słoneczne oraz… kamery video.
5. Kryptografia kwantowa
Kryptografia to nic innego jak utajnianie przesyłanych informacji. W dobie powszechnej informatyzacji, kiedy największe operacje finansowe (nie wspominam już o kwestiach wojskowych) dokonywane są wirtualnie, dziedzina ta nabiera szczególnego znaczenia. Współczesne techniki kryptograficzne oparte są na solidnych, matematycznych algorytmach. Jednakże, jak podnoszą niektórzy znawcy tematu, zabezpieczenia te mogą okazać się wręcz trywialne wraz z nadejściem znacznie wydajniejszych komputerów kwantowych. Światowe systemy bankowe nie mogą sobie pozwolić na takie ryzyko. Z pomocą przychodzi kryptografia kwantowa. Przenoszona przez wiązkę fotonów informacja ma być chroniona przez zasadę nieoznaczoności Heisenberga, co w teorii całkowicie uniemożliwi jej odczytanie “w locie”. Osoba postronna włamująca się do systemu, samą swoją obecnością wpłynie na stan kwantowy cząstek, niszcząc informację. Metoda ta jest o tyle wygodna, że właściwy adresat zorientuje się, że wiadomość została naruszona i ktoś próbował ją przechwycić.
6. PET i MRI
Dzięki odkryciu promieni X przez Wilhelma Röntgena, lekarze zyskali niebywałą możliwość diagnozowania uszkodzeń wewnętrznych ciała bez użycia skalpela. Obecnie podobny efekt można otrzymać dzięki coraz szerzej stosowanej medycynie nuklearnej. Przybiera ona różne postacie, spośród których najciekawsze są badania MRI i PET. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (MRI) polega na użyciu silnego magnesu, który powoduje zwrócenie się spinów atomów badanego ciała w jednym kierunku. Po takim impulsie atomy oddają energię, przy czym najlepiej reagują jądra wodoru (protony) znajdujące się w każdej molekule wody. Znając stężenie życiodajnego płynu w poszczególnych partiach organizmu, możemy je szczegółowo zrekonstruować. MRI jest szczególnie przydatny wtedy, gdy promieniowanie X byłoby już zbyt szkodliwe dla pacjenta. Jeszcze popularniejsza jest analiza obrazu za pomocą tomografii pozytonowej (PET). Polega ona na wstrzyknięciu do ciała substancji radioaktywnej. Podczas jej rozpadu dochodzi do emisji pozytonów, które zderzają się z elektronami obecnymi w organie dzięki czemu powstaje słabe promieniowanie gamma. Niewłaściwe tkanki, np. zaatakowane przez nowotwór, nie reagują tak jak otoczenie co pozwala na ich zidentyfikowanie jako ciemnych plam na zdjęciu. Badanie PET do dziś jest jednym z najlepszych sposobów na wykrywanie guzów, zwłaszcza mózgu, a także wielu innych schorzeń układu nerwowego.
7. Komputer kwantowy
A to już melodia przyszłości. Sformułowane w latach 60. ubiegłego wieku prawo Moore’a, śmiało zakładało, że gęstość tranzystorów w układach scalonych będzie się stale podwajać. Dziś można powiedzieć, że Gordon Moore miał rację, a nasze komputery w ciągu kilkudziesięciu lat pokaźnie zwielokrotniły swoją wydajność, bez potrzeby konstruowania większych urządzeń. Współzałożyciel Intela nie brał jednak pod uwagę faktu, iż po pewnym czasie dotrzemy do kresu fizycznych możliwości klasycznych, krzemowych chipów. Znów z pomocą przychodzi potężny potencjał zjawisk kwantowych. Hipotetyczny komputer kwantowy działałby na zupełnie innej zasadzie niż dzisiejsze urządzenia. W miejscu tradycyjnych tranzystorów pojawią się pojedyncze cząstki, których stany kwantowe będą pełniły rolę podobną do przewodnictwa i izolacji płytek krzemowych. Co ciekawsze, owe drobiny znajdować się będą – podobnie do nieszczęsnego kota Schrödingera – w superpozycji przyjmując stan 0 i 1 jednocześnie (znane nam bity zastąpią kubity). Oznacza to, że obliczenia będą dokonywane we wszystkich wartościach na raz. W 1994 roku badacze z AT&T wykazali, że komputer kwantowy mógłby z marszu rozłożyć na czynniki pierwsze każdą dowolnie dużą liczbę całkowitą. Jak słusznie zauważył Michio Kaku: Obliczenia, które zwykłemu komputerowi zajęłyby wieczność, komputer kwantowy wykonuje niemal natychmiastowo. Optymistycznie możemy zakładać, że już nasze pokolenie powinno doczekać się pierwszych, funkcjonalnych komputerów kwantowych. Zwłaszcza, że coraz śmielsze kroki w tej dziedzinie stawiają wielkie koncerny, z IBM na czele.
Literatura uzupełniająca:
M. Kaku, Wizje, czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku, Warszawa 2010;
J. Gribbin, Kwantowe Reguły, [w:] Współczesna Nauka Bez Tajemnic, pod red. Richarda Fifielda, Poznań 2000;
Wykład Marka Szopy: Paradoksy i zastosowania mechaniki kwantowej, z cyklu Mechanika Kwantowa dla Niefizyków.
