Kvantový simulátor napodobí gravitační čočku. Kredit: NASA, Vienna University of Technology.

Jak jistě každý ví, obecná relativita je dobrá ve velkých rozměrech a hmotnostech. V pohodě vysvětlí, co se děje s časoprostorem při srážce černých děr. Kvantová mechanika zase exceluje v nejmenších rozměrech a u těch nejlehčích objektů. Třeba když potřebujete vysvětlit chování nějaké částice.

Jörg Schmiedmayer.

Kredit: ÖAW.

Vědci intuitivně cítí, že k úplnému pochopení reality bude nutné tyto dva pohledy skloubit dohromady, nejlépe do něčeho jako kvantová teorie gravitace. Je to ale nesmírně obtížný úkol. Jako chtít smířit oheň s vodou. Součástí tohoto problému je, že se za ním hrozivě tyčí velice komplikovaná matematika. Zároveň je také velmi těžké uspořádat experiment, v němž by se významně projevovaly fenomény obou konceptů, tedy současně obecné relativity a kvantové mechaniky.

Odborníci rakouské Technische Universität Wien (TU Wien) nabízejí pozoruhodné řešení v podobě kvantového simulátoru. Namísto toho, aby zkoumali přímo to, o co jim jde – v jejich případě kvantové částice v zakřiveném časoprostoru – vytvořili „modelový systém,“ díky němuž se mohou dozvědět, co potřebují, díky analogii. Jörg Schmiedmayer a jeho kolegové to zkusili a perfektně jim to fungovalo.

Světelný kužel. Kredit: MissMJ / Wikimedia Commons.

Základní myšlenka kvantového simulátoru je prostá – mnohé fyzikální systémy jsou si podobné. I když jde o naprosto rozdílné částice nebo úplně jiné škály a na první pohled takové systémy nemají nic společného, přesto v řadě případů sdílejí fyzikální zákony a rovnice, podle nichž se chovají. To znamená, že lze zkoumat nějaký systém, který je pro nás běžně nedosažitelný, zkoumáním jiného, zdánlivě hodně odlišného systému.

Schmiedmayer a spol. vyrobili modelový systém kvantového simulátoru z oblaků ultrachladných atomů, které ovládali pomocí elektromagnetických polí systému AtomChip. S tímto modelovým systémem se jim povedlo simulovat zakřivení časoprostoru se světelnými kužely (light cone), což jsou v obecné relativitě dráhy světelných paprsků. Napodobili tím dnes velmi populární gravitační čočky. Namísto rychlosti světla pracují s rychlostí zvuku, ale každopádně získali systém, který se vztahuje k zakřivení časoprostoru a současně jde o kvantový systém, který lze popsat s kvantovou teorií pole. Smíchali oheň s vodou.

Kvantové simulátory se ukazují jako slibný nástroj pro výzkum. Badatelé doufají, že je simulátor s ultrachladnými atomy může dovést i k doposud neznámým fyzikálním fenoménům. Podle všeho se máme na co těšit.

Video: Jörg Schmiedmayer - What atomtronics experiments teach us about many body physics

Literatura

TU Wien 17. 5. 2023.

PNAS 120: e2301287120.