Na obrázku sú v pasci zachytené nabité zrnká múky. ktoré sa správajú podobne ako ióny, ale na rozdiel od iónov je ich viedieť voľným okom.
Kvantový svet
Prichádza zima – zastaviť stáť!
Teplota je prejavom neusporiadaného pohybu častíc. Čím nižšia, tým menej sa častice hýbu. Môžu sa úplne zastaviť? A chceme to?
Začiatkom 18. storočia francúzsky fyzik Guillaume Amontons zistil, že pri stálom objeme plynu tlak aj teplota priamo úmerne klesajú. Na základe tohto zistenia vyslovil ako prvý domnienku, že existuje najnižšia teplota vzduchu, ktorá nastane pri nulovom tlaku. Odhadol ju na −240 °C, čo nie je veľmi ďaleko od jej presnej hodnoty – absolútnej nuly, ktorá má hodnotu −273,15 °C. Absolútnu nulu si predstavujeme ako úplné zastavenie sveta molekúl a atómov. Táto predstava je však v rozpore s kvantovou fyzikou. Konkrétne kvantová neurčitosť v rýchlosti a polohe nedovoľuje časticiam naozaj zamrznúť. Kvantové systémy sú v pohybe aj pri absolútnej nule.
Nula nie je nuda
Pri chladení odoberáme zo systému energiu. Pri absolútnej nule už nie je čo odoberať. Systém má podľa definície najnižšiu možnú energiu, a preto nemôže už žiadnu ďalšiu energiu stratiť. Kvantový systém zamrzne v tzv. základnom energetickom stave, no ostatné vlastnosti (polohy, rýchlosti atď.) nenadobudnú presné (nulové) hodnoty. Nemôžeme povedať, že by bol kvantový systém pri nulovej teplote bez pohybu.
Vďaka kvantovosti nulová teplota nie je nuda, ale práve naopak. A na scéne sú supravodivosť, supratekutosť, Boseho-Einsteinov kondenzát, supersklo – všetko zvláštnosti, ktoré sme objavili iba vďaka nízkym teplotám a kvantovej fyzike. Aj mnohé iné vlastnosti systémov (chemické, magnetické, elektrické, optické) vieme vysvetliť vďaka poznaniu základného energetického stavu a kvantovosti systému.
Teplota úzko súvisí s kvantovosťou systému. Systémy sú pri vyšších teplotách v menej kontrolovateľnom prostredí. Hovoríme o termálnom šume, ktorý potláča kvantové interferenčné prejavy a pri bežných teplotách kvantové prejavy typicky nepozorujeme. Naopak, veľmi nízke teploty sú garanciou, že kvantové vlastnosti sú v systéme prítomné.
Lord Kelvin ako prvý určil hodnotu absolútnej nuly. Obrázok znázorňuje časový vývoj od jej myšlienky k doposiaľ najnižšej dosiahnutej teplote.
Smerom k nule
Presnú hodnotu absolútnej nuly experimentálne určil škótsky fyzik lord Kelvin z Largsu (vlastným menom William Thomson) v roku 1848. Tretí termodynamický zákon hovorí, že v podstate nie sme schopní takúto teplotu dosiahnuť. Ako blízko sa však k nule vieme dostať? Michael Faraday úspešne skvapalňoval známe plyny a dosiahol teploty −130 °C. Veril, že niektoré z nich (napr. kyslík, dusík a vodík) sa skvapalniť vôbec nedajú. Mýlil sa. V roku 1883 Zygmunt Wróblewski a Karol Olszewski na Jagelovskej univerzite v Krakove ako prví skvapalnili dusík a kyslík. Držali nízkoteplotný rekord −225 °C. V roku 1898 James Dewar v Londýne dosiahol teplotu −252 °C a skvapalnil vodík.
Skvapalniť hélium sa podarilo o desať rokov neskôr fyzikovi Heikemu K. Onnesovi na univerzite v holandskom Leidene. Navyše pri teplote tekutého hélia −269 °C pozoroval stratu elektrického odporu medi a objavil supravodivosť. Podarilo sa mu dosiahnuť teplotu −271,65 °C, čím ako prvý dosiahol teplotu nižšiu, ako je teplota medzihviezdneho priestoru, t. j. −270,45 °C.
Najbližšie k absolútnej nule sa zatiaľ podarilo priblížiť výskumníkom v nemeckých Brémach. V experimente s Boseho-Einsteinovým kondenzátom rubídiových atómov z roku 2018 dosiahli neuveriteľných −273,149 999 999 962 °C, čo je iba 38 bilióntin stupňa nad absolútnou nulou. Táto hodnota je zapísaná aj v Guinessovej knihe rekordov.
Chladenie svetlom
Základnou metódou chladenia je kontakt so studenším objektom. Veľmi rýchlo však narazíme na problém, ako čoraz chladnejšie objekty vytvárať a ich chlad udržovať. Ľudia vymysleli naozaj množstvo sofistikovaných spôsobov na dosiahnutie čoraz nižšej teploty. Napríklad aj pomocou svetla.
V roku 1975 Theodor W. Hänsch spolu s Arthurom L. Schawlowom zo Stanfordu a David J. Wineland s Hansom G. Dehmeltom zo Seattlu nezávisle od seba prišli s myšlienkou laserového chladenia. V roku 1984 Steven Chu zrealizoval myšlienku a úspešne schladil atómy sodíka. V tom istom období William D. Phillips dosiahol laserovým chladením dokonca nižšie teploty ako predpokladala teória, čo následne potvrdil a vysvetlil Claude Cohen-Tannoudji. Všetci dostali Nobelove ceny.
Takýto princíp chladenia je založený na Dopplerovom jave a kvantovej interakcii medzi fotónmi svetla a atómami plynu. Energia a hybnosť fotónu sú atómom pohltené, iba ak má fotón tú správnu frekvenciu, ktorá zodpovedá rozdielu energetických stavov atómu. Dopplerov jav slúži na to, aby sa správna frekvencia týkala selektívne iba tých rýchlejších atómov.
Pohltenie fotónu závisí od rýchlosti častice.
Princíp dopplerovského chladenia
Dopplerov jav nám hovorí, že frekvencia vlnenia závisí od vzájomnej rýchlosti (veľkosti aj smeru) zdroja vlnenia a pozorovateľa. Preto keď okolo nás prejde húkajúca sanitka, frekvencia zvuku sa skokovo zmení. Pri chladení je laser naladený na frekvenciu, ktorá je o trochu nižšia ako frekvencia, ktorú atóm pohlcuje. Stojaci, resp. pomalý atóm nebude takéto fotóny vôbec vnímať. Rýchlejšie atómy pohybujúce sa v protismere zdroja svetla však budú na tieto fotóny reagovať.
Pri pohltení aj vyžiarení fotónu sa mení aj hybnosť atómu. Predstavme si, že atóm sa pohybuje doprava oproti dopadajúcemu laseru. Pri pohltení fotónu atóm absorbuje opačnú hybnosť fotónu a mierne sa spomalí. Pri vyžiarení opätovne získa hybnosť v opačnom smere, ako je vyžiarený fotón. Keďže je však tento smer náhodný, tak v priemere atóm hybnosť smerom doprava stratí. Výsledkom je spomalenie v tomto smere.
Na dosiahnutie spomalenia vo všetkých smeroch stačí vo všetkých smeroch spomaľovať súčasne. Na to nám stačí svietiť laserom zo všetkých šiestich strán. Vďaka Dopplerovmu javu tie rýchlejšie atómy absorbujú fotóny lasera a vyžarujú ich náhodným smerom. V priemere ich rýchlosť klesne a doslova zamrznú v priesečníku všetkých laserov.
Častice v pasci
Aby sme schladené častice udržali schladené, využívame technológiu tzv. pascí, ktoré vytvárajú také silové polia, aby častice zostali zamrznuté v priestore aj po procese schladenia. V prípade atómov používame magneto-optické pasce. Ak sú častice nabité, tak používame tzv. iónové pasce, ktoré uväznia ióny pomocou elektromagnetických polí. Samotné pasce sú udržiavané v prostredí s teplotou približne −265 °C.
V roku 1953 Wolfgang Paul a Helmut Steinwedel navrhli a patentovali iónovú pascu, ktorá nesie meno Paulova pasca a na uväznenie častíc využíva čisto elektrické polia. Hans G. Dehmelt v roku 1959 vymyslel iný typ pasce, ktorý kombinuje magnetické a elektrické polia. Pomenoval ju Penningova pasca podľa holandského fyzika Fransa M. Penninga, ktorého experimenty inšpirovali jej skonštruovanie. Penningova pasca sa používa napríklad aj pri experimentovaní s antihmotou.
Kvantový čipový procesor NIST, v ktorom ako qubity pracujú dva ióny berýlia vzdialené od seba 40 mikrometrov
Od absolútnej nuly k logickej
Pomocou laserov dokážeme častice schladiť pod úroveň tisíciny stupňa nad absolútnou nulou a uložiť v pasciach, kde s nimi vieme jednotlivo manipulovať – ako s počítadlom. Nie je preto prekvapením, že prvé realizácie kvantového počítania využívali práve častice v pasci.
V roku 1995 prišli Ignacio Cirac a Peter Zoller z Innsbrucku s konkrétnym návrhom realizácie kvantového počítania v systéme chladných iónov v lineárnej Paulovej pasci. Každý ión predstavuje jeden kvantový bit a výpočet sa realizuje pomocou laserových pulzov. Dvojqubitovú verziu s berýliovými katiónmi zrealizovali ešte v tom istom roku v americkom NIST pod vedením D. J. Winelanda.
V novembri 2025 spoločnosť Quantinuum predstavila prelomový 98-qubitový kvantový procesor Helios pracujúci s katiónmi bária. Helios je momentálne najpresnejší a najvýkonnejší kvantový procesor. Táto výpočtová pasca ponúka až 48 logických qubitov a pracuje pri teplote −258,15 °C. Už viac než storočie sa ukazuje, že fyzika nízkych teplôt je plná užitočných kvantových prekvapení.
Autori článku: Mário Ziman, Fyzikálny ústav SAV, v.v.i. v Bratislave
Ilustrácie: Diana Cencer Garafová, QUTE.sk – Národné centrum pre kvantové technológie
Zdroje obrázkov: wikipedia public domain (Y. Colombre, NIST)