SQUID: kwantowa gra w dekoherencję

Słyszeliście o SQUID? Jeśli nie, to nie jestem zdziwiony. Chociaż ukryty pod tym akronimem wynalazek został opracowany dobre pół wieku temu, informacje o nim raczej rzadko przebijają się poza profesjonalne branżowe publikacje. Mówiąc najogólniej SQUID (ang. Superconducting Quantum Interference Device), to taka nieduża metalowa obrączka, która przy bardzo niskiej temperaturze wchodzi w stan nadprzewodnictwa, dzięki czemu raz wpuszczony do takiego układu prąd, będzie w nim krążył bez końca^[1]Schłodzone elektrony zajmują ten sam stan kwantowy. “Wyhamowanie” prądu wymagałaby jednoczesnego przeskoczenia wszystkich do innego stanu, co jest nieprawdopodobne, przynajmniej dopóki podtrzymamy nadprzewodnictwo.. Rzecz równie niesamowita, co użyteczna. Urządzenie znalazło zastosowanie m.in. w najczulszych istniejących magnetometrach oraz w aparaturze służącej do rezonansu magnetycznego^[2]W miniaturowej wersji mogą również odgrywać rolę kubitów w architekturze komputerów kwantowych..

Nie chcę tu jednak zagłębiać się w technikalia, lecz zwrócić uwagę na to, co SQUID może nam powiedzieć o granicach mechaniki kwantowej. A może zaskakująco dużo i w pewnym sensie zainspirował fizyków do powtórnego przemyślenia natury niektórych zjawisk.

Autorami klasycznego SQUID-u byli inżynierowie z Ford Research Labs. Naprawdę nie wiem, czy magnaci branży motoryzacyjnej byli w pełni świadomi, że inwestują w badania nad kwantowym gadżetem o zerowym zastosowaniu w samochodach – ale wyświadczyli światu fizyków ogromną przysługę. Szczególnie wdzięczny był pracujący po drugiej stronie oceanu Anthony Leggett. Młody naukowiec z Uniwersytetu w Sussex i późniejszy noblista eksperymentował z nadciekłością oraz nadprzewodnictwem, czyli dwoma makroskopowymi efektami niemożliwymi do wyjaśnienia bez uciekania się do mechaniki kwantowej. Brytyjczyk pragnął zrozumieć, dlaczego reguły obowiązujące w skali subatomowej, od czasu do czasu mogą przeciekać również do naszego świata dużych obiektów.

Problem możecie kojarzyć choćby za sprawą słynnego eksperymentu myślowego Erwina Schrödingera. Wiadomo, że pojedyncza cząstka lub osamotnione jądro atomu może pozostawać w superpozycji: kwantowej mieszaninie wszystkich dostępnych stanów. Foton nie ma zdefiniowanej polaryzacji, elektron określonego spinu, a jądro uranu “nie wie”, czy uległo rozpadowi do momentu wykonania odpowiedniego pomiaru. Ale czy to samo będzie dotyczyć zamkniętego w pudle kota? Większość z nas instynktownie zgodzi się z twierdzeniem, że zwierzak nie może pozostawać jednocześnie żywy i martwy, bez względu na to, czy go podglądamy, czy nie. W takim razie, gdzie należy szukać granicy między fizyką kwantową i klasyczną? Czy superpozycja dotyczy także molekuł? Wirusów? Bakterii? Niesporczaków? Mrówek?

A co jeżeli intuicja nas zawodzi i zadajemy niewłaściwe pytanie? Co jeśli rozmiar obiektu ma w tym wszystkim drugorzędne znaczenie?

Leggett uważa, że SQUID może stanowić ważną wskazówkę w poszukiwaniach granicy uklasycznienia. Oto mamy widoczny gołym okiem układ, funkcjonujący wyłącznie dzięki fenomenom znanym z mikroświata.

Sam przepływ prądu to po prostu uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. W schłodzonej obręczy pozbawiona drgań sieć krystaliczna metalu nie stawia temu przepływowi żadnego oporu, a grzeczne elektrony zaczynają ściśle współpracować. Ot, magia nadprzewodnictwa. Pojawia się jednak dodatkowa ciekawostka: prąd nie biegnie po pętli w lewo albo w prawo, lecz w obu kierunkach… jednocześnie. Kierunek jego przepływu w obręczy pozostaje nieokreślony, podobnie do właściwości pojedynczej cząstki będącej w stanie superpozycji. Wnioski Leggetta były potwierdzane wielokrotnie, m.in. w eksperymentach z 2002, 2003 oraz 2014 roku.

SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) — – Czy ruch ładunków w obręczy SQUID odbywa się zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara, czy odwrotnie?
– Tak.

O ile nieokreśloność stanu jakiegoś pojedynczego atomu lub elektronu nie budzi większych emocji, o tyle superpozycja skupiska miliardów cząstek robi wrażenie. To jednak gmatwa jeszcze bardziej naszą zagadkę: co sprawia, że grupa elektronów wewnątrz SQUID-u potrafi zachowywać się jak pojedynczy obiekt kwantowy, a zbiór atomów budujących kota Schrödingera, ciebie lub mnie – już niekoniecznie? Anthony Leggett i jego następcy są przekonani, że różnica polega na wspomnianym uporządkowaniu, czy też koherentności układu. Wyobraźcie sobie zawody w pływaniu synchronicznym. Uczestniczki harmonizują każdy swój ruch w wodzie z ruchami partnerek współtworząc niesamowite układy choreograficzne. Podobna synchronizacja w świecie mikroskopowym może sprawić, że kolektyw zacznie zachowywać się jak spójna, kwantowa całość^[3]Dotyczy to nie tylko nadprzewodnictwa i SQUID-ów, ale także np. kondensatu Bosego-Einsteina.. Jak jedna mocno przerośnięta cząstka.

Przeciwieństwem koherencji jest oczywiście dekoherencja, czyli brak spójności i porządku. Co do zasady, aby podtrzymać spójność układu należy uspokoić wszystkie jego cegiełki przez schłodzenie całości do skrajnie niskich temperatur lub kompletne odizolowanie go od otoczenia. Kompletne, ponieważ wystarczy najmniejsze zakłócenie, szturchnięcie przez parę zbłąkanych fotonów, aby dekoherencja rozprzestrzeniła się po układzie szybciej niż dżuma po średniowiecznej Europie. Dzieje się tak na skutek nienawidzonego przez Einsteina splątania kwantowego. Dopóki cząstki pozostają splątane w swoim gronie, funkcjonują z gracją i harmonią godną medalistek w pływaniu synchronicznym. Próba podejrzenia dowolnego elementu układu momentalnie wpływa na jego całość, zmuszając wszystkie powiązane ze sobą cząstki, jedna po drugiej, do określenia swojego stanu.

Kwantowa dekoherencja — Pomiar cząstki wymusza wybór stanu, powodując dekoherencję, która błyskawicznie rozprzestrzenia się po całym układzie.

Wynika z tego, że trudność w podtrzymaniu koherencji wzrasta dramatycznie wraz z wielkością obiektu. Nie chodzi tu jednak o rozmiary same w sobie, ale o szerszą ekspozycję na środowisko (co w twórczy sposób rozwinął w swojej interpretacji Wojciech Żurek)^[4]Istnieją też inne koncepcje. Zdaniem Rogera Penrose’a dekoherencja ma związek z grawitacją i zaburzeniem czasoprzestrzeni.. Samotny elektron może dłużej unikać interakcji ze światem zewnętrznym od złożonej molekuły, a ta znacznie dłużej od pyłku kurzu. Nie istnieje zatem żadna ostra granica uklasycznienia. Jurysdykcja fizyki kwantowej sięga wszędzie tam, gdzie zachowywana jest delikatna spójność układu.