Nie tak dawno (może dwa lata temu) prasa naukowa donosiła o osiągnięciu w laboratoriach nowego, przewidywanego przez mechanikę kwantową stanu materii zwanego kondensatem Bosego-Einsteina. Wiadomo, że cząstki "elementarne" między innymi klasyfikowane są pod kątem wewnętrznej ich własności zwanej spinem. Są cząstki o spinie całkowitym (w jednostkach stałej Plancka), i są to właśnie bozony, oraz cząstki o spinie o wartościach połówkowych - fermiony. Te pierwsze podlegają tzw. statystyce Bosego-Einsteina, ponieważ o statystyce decyduje zasada nieoznaczoności Heisenberga, drugie statystyce Fermiego-Diraca, w której decyduje zakaz (zasada) wykluczania Pauliego. Bozony są cząstkami-nośnikami pól kwantowych, za pośrednictwem których przenoszone są oddziaływania, fermiony natomiast są cząstkami materii, które w oddziaływaniach między sobą wymieniają właśnie bozony. Atomy o sumarycznym spinie jego składników równym liczbie całkowitej są jakby dużymi bozonami.

Otóż kondensat B-E, osiągnięty i uwięziony w schłodzonej niemal do temperatury zera bezwzględnego pułapce, czyni atomy nierozróżnialnymi. To taka kropla kwantowa, podobna do nadciekłego helu, aczkolwiek nieco inna. Na przykład nie stosuje się do niej żadne równanie stanu, jak do gazu, a tylko statystyka. Kondensat B-E nie wywiera także w płaskiej czasoprzestrzeni żadnego ciśnienia. Tysiące ultrazimnych atomów zachowuje się razem jak jeden wielki atom, jak duży makroskopowy układ kwantowy. Atomy w kondensacie B-E zajmują ten sam najniższy stan kwantowy i właśnie dlatego razem są nierozróżnialne. Nie wiadomo jeszcze do końca, jakie własności przejawiać może tenże kondensat; badania trwają. Jednym z nieoczekiwanych jego własności jest oddziaływanie tego kondensatu na światło: po oświetleniu dwiema wiązkami laserowy o różnej częstotliwości okazało się, że fotony światła, przekazawszy atomom kondensatu swój pęd, doprowadziły do spójnej emisji atomów kondensatu tzw. paczkami, czyli porcjami kondensatu, a także do emisji ciągłej. Otrzymano zatem "laser pól kwantowych" nazwany już boserem (czy możliwy jest i laser fermionów, "difer"?). Inną zadziwiającą własnością jest spowolnienie prędkości światła przechodzącego przez kondensat do 17 m/s, a następnie w zjawisku zwanym elektromagnetycznie wymuszoną przejrzystością spowolniono światło do szybkości nawet 37 metrów na godzinę (!). Nie jest to aż tak zadziwiające, gdyż oddziaływują z sobą cząstki dwóch pól kwantowych: elektromagnetycznego (fotony) i spójnej materii (kondensat B-E).

Co może to oznaczać? To, że inżynieria kwantowa może posiąść zaawansowaną technologię w postaci optyki "spójnie atomowej", która być może pozwoli na prawdziwie nowatorskie zastosowania w nanotechnologii, tam gdzie chodzi o tworzenie układów atomowych, ot chociażby takich atomowych procesorów, a nawet procesorów kwantowych. Można także wyobrazić sobie namiastkę technologii niewidzialności, bo cóż może stać na przeszkodzie, by otoczyć człowieka jakąś barierą z kondensatu B-E, w której to spójne (a może i zwykłe) światło by sobie grzęzło. Wiadomo, w próżni szybkość światła wynosi ok. 300 tysięcy km/s, w powietrzu ok. 200 tysięcy km/s, a tu aż 37 m/godz, a może i jeszcze mniej, aż do zera? Widzimy tylko dlatego, że światło pada i odbija się od przedmiotów i istot żywych, a tu odbija się po godzinie z odległości 37 metrów. Czasowa niewidzialność, a jeśli uwięzimy światło w kondensacie - niewidzialność stała?

Ilustracja: Aleksander Jasiński

Oprócz wspomnianych bozonów z wewnętrznym momentem pędu, istnieć mogą teoretycznie i bozony skalarne, czyli takie które nie mają spinu, ale mają za to wielką masę, i przez to trudne są do odkrycia. Nie podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym, silnym ani słaby, oddziaływują grawitacyjnie oraz odpychająco, same z sobą, w postaci "poprawek do fluktuacji kwantowych na małych odległościach", co prowadzi do wzrostu ich masy. Takim skalarnym bozonem jest np. bozon Higgsa, odpowiedzialny ponoć za nadawanie cząstkom bezmasowym masy spoczynkowej w zjawisku zwanym spontanicznym łamaniem symetrii. Bozony skalarne także tworzyć mogą kondensat B-E, i to w naturalny sposób w postaci np. gwiazd bozonowych, których odkrycie mogłoby wyjaśnić istnienie ciemnej materii, a ta z kolei wyjaśnić by mogła geometrię naszego wszechświata (zamkniętą bądź otwartą). Masa makro-gwiazd bozonowych może przyjmować ekstremalnie wartość nawet 10 w potędze 18 mas Słońca i promień o 10-12 rzędów wielkości mniejszy od promienia widzialnego Wszechświata. Skala wielkości mini-gwiazdy bozonowej może rozpoczynać się od "wagi" rzędu miliarda kilogramów i mieć rozmiar promienia cząstki elementarnej, a kończyć po sferę o promieniu rzędu 10 kilometrów i mieć masę 1/1000 masy Słońca. Czyli obok czarnych dziur, białych karłów i gwiazd neutronowych istnieć być może i mogą takie właśnie egzotyczne gwiazdy.

Dlaczego egzotyczne? Ponieważ taka gwiazda ma największą gęstość w swym centrum, a potem ta gęstość wykładniczo maleje aż do nieskończoności. Przenika materię, czyli fermiony. Powierzchnia takiej gwiazdy jakby nie istnieje ani w postaci fotosfery, ani w postaci stałej. Nie można więc jej zobaczyć. Możemy nawet nie mieć pojęcia, czy przenika nas, nasz układ słoneczny i najbliższą mu przestrzeń kosmiczną ekstremalnie rozrzedzone obrzeże jakiejś gigantycznej gwiazdy. Gwiazda nie zapada się pod siłami grawitacji. Mogą gwiazdy bozonowe istnieć niezwykle długo jeśli nie łączą się z sobą. Są ultrazimne - mają temperaturę rzędu zera bezwzględnego. Samorzutnie gęstnieją. Ich masa jest mniejsza aniżeli masa składających się na nią bozonów. Zakłada się, że nie wirują, ale jeśli założy się ich rotację, to rotacja ta podlega prawom kwantowym: prędkość rotacji może się zwiększać lub zmniejszać o wielokrotność wartości kwantowego momentu pędu. Gdy nieruchoma gwiazda przeskakuje do stanu rotacji, przeskakuje natychmiast z jednego stanu kwantowego do stanu innego; gwiazda podczas takiego przeskoku zmienia swój kształt na przykład ze sfery w torus, i to natychmiast, bez stadiów pośrednich. Czy można sobie wyobrazić ekstremalnej wielkości makro-gwiazdę zmieniającą w ten sposób swój kształt? Co na to graniczna prędkość światła? Gwiazdy bozonowe, jeśli istnieją, byłyby reliktem sprzed tej epoki ekspansji Wszechświata, w której światło oddzieliło się od materii, albo innymi słowy - materia stała się przejrzysta dla światła.

Odkąd powstało pojęcie bitu kwantowego, qubitu, złożonego stanu (superpozycji) związanych liczb kwantowych (spinu na przykład), nastała teoretycznie możliwość stworzenia komputera kwantowego (właściwą nazwą powinien być procesor kwantowy). Procesor nie przetwarzałby bitów, ale związane stany kwantowe wejściowe, czyli qubity. Procesor kwantowy mógłby wykonywać wiele zadań jednocześnie dając wyniki dla wszystkich możliwych danych wejściowych. Byłby oczywiście odmienny nieco od klasycznych maszyn uniwersalnych (obecnych procesorów), miałby kwantowe bramki logiczne (z których wiele już jest zaproponowanych), a mógłby szybciej rozwiązywać pewne problemy przez klasyczne procesory rozwiązywalne w skończenie długim czasie, albo rozwiązywać klasy problemów nieprzeliczalnych (typu NP według teorii złożoności obliczeń, podobnych do problemu komiwojażera), których czas rozwiązania przez niekwantowe procesory byłby nieskończenie długi.

Otóż kwantowe obliczenia można zaimplementować na bazie nie tylko chemicznej, molekularnej czy fotonowej, ale i na makroskopowej koherencji kwantowej (takim spójnym stanie związanym wielkości kwantowych) wielu ciał oddziaływujących, a takimi ciałami są różne kondensaty Bosego-Einsteina. Z powodu zjawiska zwanego spontanicznym łamaniem symetrii cechowania, kondensat B-E może być opisywany nieliniowym równaniem falowym Schrödingera, a nieliniowość, makroskopowe funkcje falowe kondensatu da się uzgodnić (spójnie związać) i utrzymać między jego składnikami tak długo jak długo da się utworzyć i utrzymać dwu stanowy układ kwantowy, to w zasadzie możliwe jest zbudowanie procesora kwantowego złożonego zarówno z liniowych jak i nieliniowych bramek logicznych. Procesory klasyczne mają dwustanowe (bitowe) bramki logiczne, procesory kwantowe - bramki logiczne kwantowe, a tu mamy jedne i drugie. Co to może oznaczać? To, że procesor kwantowy na kondensacie B-E mógłby jednocześnie wykonywać tak jak zwykły komputer zadanie przeliczalne i zadania komputera kwantowego - zadania nieprzeliczalne. Wystarczy tylko superzimnym atomom kondensatu uwięzionym w podwójnych studniach potencjału przypisać... qubity, stosując kilka różnych kondensatów B-E, z których każdy reprezentuje inny qubit (co zostało ostatnio zaprezentowane w MIT).

Czy rzeczywiście dobiegamy do granic nauki? Czy naprawdę osiągnęliśmy jej kres? Jeśli nie odkrywamy (a może tworzymy?) wielkich, nowych, fundamentalnych idei typu teorii darwinizmu, obu teorii względności czy mechaniki kwantowej, to z pewnością wiele czasu upłynie, zanim te podstawowe odkrycia wykorzystamy. Dlaczego tak można sądzić? Gdyby prawdą było że... Istnieje w ekonomii teoria fal rozwoju. Cykl takiej fali to 60-80 lat. Pod koniec cyklu spada ilość nowych odkryć naukowych, ale za to wzrasta ilość zastosowań odkryć dokonanych na początku fali poprzedzającej ekonomiczną "falę bieżącą". Fala poprzedzająca zakończyła się gdzieś w latach 10-20 bieżącego wieku, czyli w okresie powstania mechaniki kwantowej i teorii względności, a zatem powinniśmy się zbliżać do początku fali następnej. Dlatego w nauce brak jest nowych podstawowych teorii, a wykorzystujemy praktycznie idee już odkryte. Gdzieś zatem na przełomie wieków i tysiącleci powinna się zacząć fala kolejna, gdzie nastaną nowe idee w naukach podstawowych, a wykorzystywać praktycznie będziemy idee odkryte wcześniej. Choćby takie z pozoru bardzo odległe zjawiska, jak przejście od bozonów, gwiazd bozonowych, kondensatu B-E do boserów, procesora kwantowego (kwantowego umysłu bądź świadomości?), a może i do technologii niewidzialności...

20.X.1999r.