Φανταστείτε μια μπάλα του ποδοσφαίρου να στρίβει μαγικά στον αέρα μετά από ένα φαλτσαριστό χτύπημα ή ένα μπαλάκι του πινγκ-πονγκ να αλλάζει απότομα πορεία μπερδεύοντας τον αντίπαλο. Στον γνώριμο, καθημερινό μας κόσμο, αυτό το εντυπωσιακό φαινόμενο ονομάζεται φαινόμενο Magnus και οφείλεται στον τρόπο που η περιστροφή ενός αντικειμένου επηρεάζει την κίνησή του μέσα στον αέρα.
Τι θα συνέβαινε, όμως, αν μεταφέραμε αυτή την «ποδοσφαιρική» συμπεριφορά στο πιο μικροσκοπικό επίπεδο που μπορούμε να φανταστούμε; Σε μια συναρπαστική νέα ανακάλυψη, οι επιστήμονες κατάφεραν για πρώτη φορά να παρατηρήσουν αυτό ακριβώς το φαινόμενο εκεί όπου οι νόμοι της καθημερινής φυσικής σταματούν και ξεκινά η μαγεία του μικρόκοσμου: Στο ίδιο το φως και στον παράξενο κόσμο της κβαντικής μηχανικής.
Χρησιμοποιώντας εξελιγμένα λέιζερ ένα παγιδευμένο ιόν, οι ερευνητές είδαν το φως να συμπεριφέρεται σαν μια περιστρεφόμενη μπάλα, ανοίγοντας τον δρόμο για μια νέα εποχή στην ανάπτυξη των υπερσύγχρονων κβαντικών υπολογιστών.
Ερευνητές παρατήρησαν άμεσα το οπτικό φαινόμενο Magnus για πρώτη φορά, αποκαλύπτοντας μια απειροελάχιστη μετατόπιση στις αλληλεπιδράσεις των λέιζερ, η οποία θα μπορούσε να επηρεάσει τον ακριβή έλεγχο των qubits στους κβαντικούς υπολογιστές. Όποιος έχει δει μια περιστρεφόμενη μπάλα ποδοσφαίρου να διαγράφει καμπύλη τροχιά γύρω από ένα αμυντικό τείχος, έχει δει τι συμβαίνει όταν η περιστροφή αλλάζει την πορεία ενός αντικειμένου στον αέρα.
Η μπάλα καμπυλώνεται μακριά από την κατεύθυνση προς την οποία φαινόταν αρχικά να κινείται, επειδή η περιστροφή της δημιουργεί μια ανομοιόμορφη δύναμη καθώς μετακινείται. Οι φυσικοί ονομάζουν αυτό το φαινόμενο Magnus.
Οι ερευνητές παρατήρησαν τώρα ένα οπτικό ανάλογο του ίδιου φαινομένου σε μια εξαιρετικά μικρότερη κλίμακα, χρησιμοποιώντας φως λέιζερ και ένα μόνο παγιδευμένο ιόν ασβεστίου. Αντί να αναγκάσει το ιόν να διαγράψει καμπύλη τροχιά στον χώρο, το οπτικό φαινόμενο μετατοπίζει το σημείο όπου ένα στενά εστιασμένο λέιζερ αλληλεπιδρά πιο έντονα με αυτό.
Μια διεθνής ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες του Ινστιτούτου Paul Scherrer (PSI) μέτρησε πειραματικά αυτή τη μικροσκοπική πλευρική εκτόπιση για πρώτη φορά. Το εύρημα αυτό θα μπορούσε να έχει μεγάλη σημασία για τους κβαντικούς υπολογιστές που χρησιμοποιούν λέιζερ για να ελέγχουν μεμονωμένα qubits με εξαιρετική ακρίβεια. Εάν αυτή η μετατόπιση παραβλεφθεί, το λέιζερ ενδέχεται να μην δράσει ακριβώς στο σημείο που αναμένουν οι ερευνητές. Ωστόσο, το φαινόμενο αυτό θα μπορούσε επίσης να αποδειχθεί χρήσιμο.
«Οι δυνάμεις που δημιουργεί θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τη σύζευξη των qubits μεταξύ τους, επιτρέποντας τη διεξαγωγή πιο σύνθετων υπολογισμών», εξηγεί ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, Philip Leindecker, από το Κέντρο Επιστήμης Φωτονίων του PSI και το Τμήμα Φυσικής του ETH Ζυρίχης.
Όταν το λέιζερ χάνει τον στόχο του
Εκ πρώτης όψεως, η ισχυρότερη αλληλεπίδραση θα έπρεπε να συμβαίνει στο κέντρο της δέσμης λέιζερ, εκεί όπου το φως είναι πιο έντονο. Ωστόσο, η στενή εστίαση του φωτός λέιζερ αλλάζει επίσης τη χωρική δομή του ηλεκτρομαγνητικού του πεδίου. Αυτό μετατοπίζει ελαφρώς το σημείο της ισχυρότερης αλληλεπίδρασης προς τη μία πλευρά.
Ένα μόνο ιόν μετράει τη μετατόπιση
Για να μετρήσουν το φαινόμενο, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ένα μεμονωμένο ιόν ασβεστίου, το οποίο κρατούνταν σχεδόν ακίνητο μέσω ηλεκτρομαγνητικών πεδίων σε μια παγίδα ιόντων. Τα παγιδευμένα ιόντα μπορούν επίσης να χρησιμεύσουν ως qubits σε κβαντικούς υπολογιστές, όπου χρησιμοποιούνται λέιζερ για τον χειρισμό των κβαντικών τους καταστάσεων με υψηλή ακρίβεια.
Η ομάδα μετακίνησε το στενά εστιασμένο λέιζερ σε σχέση με το ιόν και μέτρησε πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούσε το ιόν με το φως σε διαφορετικές θέσεις. «Το ιόν μας λειτουργεί σαν ένας μικροσκοπικός αισθητήρας, τον οποίο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε για να ψηλαφίσουμε τη δομή του φωτός λέιζερ», εξηγεί ο Leindecker. «Αυτό καθιστά δυνατή τη μέτρηση μιας μετατόπισης μόλις λίγων εκατοντάδων νανομέτρων». Αυτή η ευαισθησία επέτρεψε στους ερευνητές να παρατηρήσουν άμεσα το οπτικό φαινόμενο Magnus.
Όταν η μετατόπιση «απειλεί» τα ubits
Το πείραμα αποκάλυψε επίσης ένα εκπληκτικό χαρακτηριστικό αυτής της μετατόπισης. Το μέγεθός της εξαρτιόταν αποκλειστικά από το μήκος κύματος του φωτός λέιζερ και όχι από το πόσο στενά εστιασμένη ήταν η δέσμη.
Αυτό το αποτέλεσμα θα μπορούσε να αποδειχθεί ιδιαίτερα σημαντικό για τους κβαντικούς υπολογιστές παγιδευμένων ιόντων. Αυτά τα συστήματα βασίζονται σε φως λέιζερ υψηλής ακρίβειας για τον έλεγχο μεμονωμένων qubits, επομένως ακόμη και μια απειροελάχιστη πλευρική μετατόπιση θα μπορούσε να προκαλέσει σφάλματα εάν δεν ληφθεί υπόψη. Παράλληλα, οι δυνάμεις που δημιουργούνται από το φαινόμενο ενδέχεται να προσφέρουν έναν νέο τρόπο σύνδεσης των qubits, υποστηρίζοντας πιο σύνθετες λειτουργίες.
Επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο του Άμστερνταμ είχαν προβλέψει θεωρητικά το οπτικό φαινόμενο Magnus αρκετά χρόνια νωρίτερα. Το νέο πείραμα επιβεβαιώνει αυτή την πρόβλεψη και παρέχει μια πιο λεπτομερή περιγραφή της συμπεριφοράς του φαινομένου. Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Physical Review Letters.
