Nie tak dawno (moze dwa lata temu) prasa naukowa donosila o osiagnieciu w laboratoriach nowego, przewidywanego przez mechanike kwantowa stanu materii zwanego kondensatem Bosego-Einsteina. Wiadomo, ze czastki "elementarne" miedzy innymi klasyfikowane sa pod katem wewnetrznej ich wlasnosci zwanej spinem. Sa czastki o spinie calkowitym (w jednostkach stalej Plancka), i sa to wlasnie bozony, oraz czastki o spinie o wartosciach polowkowych - fermiony. Te pierwsze podlegaja tzw. statystyce Bosego-Einsteina, poniewaz o statystyce decyduje zasada nieoznaczonosci Heisenberga, drugie statystyce Fermiego-Diraca, w ktorej decyduje zakaz (zasada) wykluczania Pauliego. Bozony sa czastkami-nosnikami pol kwantowych, za posrednictwem ktorych przenoszone sa oddzialywania, fermiony natomiast sa czastkami materii, ktore w oddzialywaniach miedzy soba wymieniaja wlasnie bozony. Atomy o sumarycznym spinie jego skladnikow rownym liczbie calkowitej sa jakby duzymi bozonami.

Otoz kondensat B-E, osiagniety i uwieziony w schlodzonej niemal do temperatury zera bezwzglednego pulapce, czyni atomy nierozroznialnymi. To taka kropla kwantowa, podobna do nadcieklego helu, aczkolwiek nieco inna. Na przyklad nie stosuje sie do niej zadne rownanie stanu, jak do gazu, a tylko statystyka. Kondensat B-E nie wywiera takze w plaskiej czasoprzestrzeni zadnego cisnienia. Tysiace ultrazimnych atomow zachowuje sie razem jak jeden wielki atom, jak duzy makroskopowy uklad kwantowy. Atomy w kondensacie B-E zajmuja ten sam najnizszy stan kwantowy i wlasnie dlatego razem sa nierozroznialne. Nie wiadomo jeszcze do konca, jakie wlasnosci przejawiac moze tenze kondensat; badania trwaja. Jednym z nieoczekiwanych jego wlasnosci jest oddzialywanie tego kondensatu na swiatlo: po oswietleniu dwiema wiazkami laserowy o roznej czestotliwosci okazalo sie, ze fotony swiatla, przekazawszy atomom kondensatu swoj ped, doprowadzily do spojnej emisji atomow kondensatu tzw. paczkami, czyli porcjami kondensatu, a takze do emisji ciaglej. Otrzymano zatem "laser pol kwantowych" nazwany juz boserem (czy mozliwy jest i laser fermionow, "difer"?). Inna zadziwiajaca wlasnoscia jest spowolnienie predkosci swiatla przechodzacego przez kondensat do 17 m/s, a nastepnie w zjawisku zwanym elektromagnetycznie wymuszona przejrzystoscia spowolniono swiatlo do szybkosci nawet 37 metrow na godzine (!). Nie jest to az tak zadziwiajace, gdyz oddzialywuja z soba czastki dwoch pol kwantowych: elektromagnetycznego (fotony) i spojnej materii (kondensat B-E).

Co moze to oznaczac? To, ze inzynieria kwantowa moze posiasc zaawansowana technologie w postaci optyki "spojnie atomowej", ktora byc moze pozwoli na prawdziwie nowatorskie zastosowania w nanotechnologii, tam gdzie chodzi o tworzenie ukladow atomowych, ot chociazby takich atomowych procesorow, a nawet procesorow kwantowych. Mozna takze wyobrazic sobie namiastke technologii niewidzialnosci, bo coz moze stac na przeszkodzie, by otoczyc czlowieka jakas bariera z kondensatu B-E, w ktorej to spojne (a moze i zwykle) swiatlo by sobie grzezlo. Wiadomo, w prozni szybkosc swiatla wynosi ok. 300 tysiecy km/s, w powietrzu ok. 200 tysiecy km/s, a tu az 37 m/godz, a moze i jeszcze mniej, az do zera? Widzimy tylko dlatego, ze swiatlo pada i odbija sie od przedmiotow i istot zywych, a tu odbija sie po godzinie z odleglosci 37 metrow. Czasowa niewidzialnosc, a jesli uwiezimy swiatlo w kondensacie - niewidzialnosc stala?

Ilustracja: Aleksander Jasinski

Oprocz wspomnianych bozonow z wewnetrznym momentem pedu, istniec moga teoretycznie i bozony skalarne, czyli takie ktore nie maja spinu, ale maja za to wielka mase, i przez to trudne sa do odkrycia. Nie podlegaja oddzialywaniom elektromagnetycznym, silnym ani slaby, oddzialywuja grawitacyjnie oraz odpychajaco, same z soba, w postaci "poprawek do fluktuacji kwantowych na malych odleglosciach", co prowadzi do wzrostu ich masy. Takim skalarnym bozonem jest np. bozon Higgsa, odpowiedzialny ponoc za nadawanie czastkom bezmasowym masy spoczynkowej w zjawisku zwanym spontanicznym lamaniem symetrii. Bozony skalarne takze tworzyc moga kondensat B-E, i to w naturalny sposob w postaci np. gwiazd bozonowych, ktorych odkrycie mogloby wyjasnic istnienie ciemnej materii, a ta z kolei wyjasnic by mogla geometrie naszego wszechswiata (zamknieta badz otwarta). Masa makro-gwiazd bozonowych moze przyjmowac ekstremalnie wartosc nawet 10 w potedze 18 mas Slonca i promien o 10-12 rzedow wielkosci mniejszy od promienia widzialnego Wszechswiata. Skala wielkosci mini-gwiazdy bozonowej moze rozpoczynac sie od "wagi" rzedu miliarda kilogramow i miec rozmiar promienia czastki elementarnej, a konczyc po sfere o promieniu rzedu 10 kilometrow i miec mase 1/1000 masy Slonca. Czyli obok czarnych dziur, bialych karlow i gwiazd neutronowych istniec byc moze i moga takie wlasnie egzotyczne gwiazdy.

Dlaczego egzotyczne? Poniewaz taka gwiazda ma najwieksza gestosc w swym centrum, a potem ta gestosc wykladniczo maleje az do nieskonczonosci. Przenika materie, czyli fermiony. Powierzchnia takiej gwiazdy jakby nie istnieje ani w postaci fotosfery, ani w postaci stalej. Nie mozna wiec jej zobaczyc. Mozemy nawet nie miec pojecia, czy przenika nas, nasz uklad sloneczny i najblizsza mu przestrzen kosmiczna ekstremalnie rozrzedzone obrzeze jakiejs gigantycznej gwiazdy. Gwiazda nie zapada sie pod silami grawitacji. Moga gwiazdy bozonowe istniec niezwykle dlugo jesli nie lacza sie z soba. Sa ultrazimne - maja temperature rzedu zera bezwzglednego. Samorzutnie gestnieja. Ich masa jest mniejsza anizeli masa skladajacych sie na nia bozonow. Zaklada sie, ze nie wiruja, ale jesli zalozy sie ich rotacje, to rotacja ta podlega prawom kwantowym: predkosc rotacji moze sie zwiekszac lub zmniejszac o wielokrotnosc wartosci kwantowego momentu pedu. Gdy nieruchoma gwiazda przeskakuje do stanu rotacji, przeskakuje natychmiast z jednego stanu kwantowego do stanu innego; gwiazda podczas takiego przeskoku zmienia swoj ksztalt na przyklad ze sfery w torus, i to natychmiast, bez stadiow posrednich. Czy mozna sobie wyobrazic ekstremalnej wielkosci makro-gwiazde zmieniajaca w ten sposob swoj ksztalt? Co na to graniczna predkosc swiatla? Gwiazdy bozonowe, jesli istnieja, bylyby reliktem sprzed tej epoki ekspansji Wszechswiata, w ktorej swiatlo oddzielilo sie od materii, albo innymi slowy - materia stala sie przejrzysta dla swiatla.

Odkad powstalo pojecie bitu kwantowego, qubitu, zlozonego stanu (superpozycji) zwiazanych liczb kwantowych (spinu na przyklad), nastala teoretycznie mozliwosc stworzenia komputera kwantowego (wlasciwa nazwa powinien byc procesor kwantowy). Procesor nie przetwarzalby bitow, ale zwiazane stany kwantowe wejsciowe, czyli qubity. Procesor kwantowy moglby wykonywac wiele zadan jednoczesnie dajac wyniki dla wszystkich mozliwych danych wejsciowych. Bylby oczywiscie odmienny nieco od klasycznych maszyn uniwersalnych (obecnych procesorow), mialby kwantowe bramki logiczne (z ktorych wiele juz jest zaproponowanych), a moglby szybciej rozwiazywac pewne problemy przez klasyczne procesory rozwiazywalne w skonczenie dlugim czasie, albo rozwiazywac klasy problemow nieprzeliczalnych (typu NP wedlug teorii zlozonosci obliczen, podobnych do problemu komiwojazera), ktorych czas rozwiazania przez niekwantowe procesory bylby nieskonczenie dlugi.

Otoz kwantowe obliczenia mozna zaimplementowac na bazie nie tylko chemicznej, molekularnej czy fotonowej, ale i na makroskopowej koherencji kwantowej (takim spojnym stanie zwiazanym wielkosci kwantowych) wielu cial oddzialywujacych, a takimi cialami sa rozne kondensaty Bosego-Einsteina. Z powodu zjawiska zwanego spontanicznym lamaniem symetrii cechowania, kondensat B-E moze byc opisywany nieliniowym rownaniem falowym Schrödingera, a nieliniowosc, makroskopowe funkcje falowe kondensatu da sie uzgodnic (spojnie zwiazac) i utrzymac miedzy jego skladnikami tak dlugo jak dlugo da sie utworzyc i utrzymac dwu stanowy uklad kwantowy, to w zasadzie mozliwe jest zbudowanie procesora kwantowego zlozonego zarowno z liniowych jak i nieliniowych bramek logicznych. Procesory klasyczne maja dwustanowe (bitowe) bramki logiczne, procesory kwantowe - bramki logiczne kwantowe, a tu mamy jedne i drugie. Co to moze oznaczac? To, ze procesor kwantowy na kondensacie B-E moglby jednoczesnie wykonywac tak jak zwykly komputer zadanie przeliczalne i zadania komputera kwantowego - zadania nieprzeliczalne. Wystarczy tylko superzimnym atomom kondensatu uwiezionym w podwojnych studniach potencjalu przypisac... qubity, stosujac kilka roznych kondensatow B-E, z ktorych kazdy reprezentuje inny qubit (co zostalo ostatnio zaprezentowane w MIT).

Czy rzeczywiscie dobiegamy do granic nauki? Czy naprawde osiagnelismy jej kres? Jesli nie odkrywamy (a moze tworzymy?) wielkich, nowych, fundamentalnych idei typu teorii darwinizmu, obu teorii wzglednosci czy mechaniki kwantowej, to z pewnoscia wiele czasu uplynie, zanim te podstawowe odkrycia wykorzystamy. Dlaczego tak mozna sadzic? Gdyby prawda bylo ze... Istnieje w ekonomii teoria fal rozwoju. Cykl takiej fali to 60-80 lat. Pod koniec cyklu spada ilosc nowych odkryc naukowych, ale za to wzrasta ilosc zastosowan odkryc dokonanych na poczatku fali poprzedzajacej ekonomiczna "fale biezaca". Fala poprzedzajaca zakonczyla sie gdzies w latach 10-20 biezacego wieku, czyli w okresie powstania mechaniki kwantowej i teorii wzglednosci, a zatem powinnismy sie zblizac do poczatku fali nastepnej. Dlatego w nauce brak jest nowych podstawowych teorii, a wykorzystujemy praktycznie idee juz odkryte. Gdzies zatem na przelomie wiekow i tysiacleci powinna sie zaczac fala kolejna, gdzie nastana nowe idee w naukach podstawowych, a wykorzystywac praktycznie bedziemy idee odkryte wczesniej. Chocby takie z pozoru bardzo odlegle zjawiska, jak przejscie od bozonow, gwiazd bozonowych, kondensatu B-E do boserow, procesora kwantowego (kwantowego umyslu badz swiadomosci?), a moze i do technologii niewidzialnosci...

20.X.1999r.