Kiedy turysta dochodzi do rozwidlenia dróg musi zdecydować którą obierze. Wszystkie tego typu decyzje ostatecznie doprowadzają turystę do zamierzonego celu. Jeśli turyście zdarzyło się zapomnieć mapy, musi podjąć decyzję losowo. Dotrze wówczas do celu podróży krótszą lub dłuższą, okrężną drogą. Zjawisko to nosi nazwę błądzenia losowego i można się z nim spotkać w takich dziedzinach nauki jak matematyka i fizyka.

Dla przykładu, w 1827 roku szkocki botanik Robert Brown odkrył nieregularne ruchy i zderzenia mikroskopijnie małych cząstek pyłków kwiatowych w wodnej zawiesinie. Spowodowane jest to losowym i chaotycznym ruchem molekuł wody – zjawisko to znane jest jako ruchy Browna.  Innym przykładem może być deska Galtona, która jest używana do zobrazowania studentom rozkładu dwumianowego. Na desce tej spadające z góry kulki odbijają się losowo, w lewo lub prawo, od rozmieszczonych na planie trójkąta gwoździ.

Atom wychodzi na „kwantowy spacer”

Naukowcy z Insbrucka przekształcili zasadę losowego błądzenia na system kwantowy i wprowadzili atom w stan kwantowego spaceru: „Uwięziliśmy pojedynczy atom w elektromagnetycznej pułapce jonowej, następnie spowolniliśmy go aby otrzymać stan podstawowy,” wyjaśnia Christian Roos z Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI).
„Tworzymy wówczas kwantową  mechaniczną superpozycję dwóch wewnętrznych stanów i wysyłamy atom na spacer,” dodaje naukowiec. Te dwa wewnętrzne stany odpowiadają  decyzji o pójściu w lewo lub prawo, jaką ma podjąć wyżej wspomniany turysta. Jednakże, tak naprawdę, atom w odróżnieniu od turysty nie musi podejmować decyzji, którą drogę obrać. Superpozycja dwóch stanów sprawia, iż obie możliwości są dostępne w tym samym czasie.
„W zależności od wewnętrznego stanu, zmieniamy kierunek jonu w lewo lub prawo. W skutek tego stany rozruchowy i wewnętrzny jonu są ze sobą poplątane,” wyjaśnia Christian Roos.

Po każdym etapie fizycy pracujący nad eksperymentem modyfikują superpozycje stanów wewnętrznych jonu przy użyciu wiązki lasera, by po raz kolejny zmienić jego kierunek, w lewo lub prawo. Fizycy mogą powtarzać ten losowo kontrolowany proces aż do dwudziestu trzech razy, gromadząc w międzyczasie dane na temat tego, jak funkcjonuje spacer kwantowy. Przy użyciu kolejnego jonu, naukowcy rozszerzają eksperyment , nadając błądzącemu jonowi dodatkową możliwość pozostania w spoczynku zamiast ruchu w lewo lub prawo.

Lepsze rozumienie naturalnego zjawiska
Analiza statystyczna tych licznych etapów potwierdza, że spacery kwantowe różnią się od klasycznych błądzeń losowych. Podczas, gdy kulki na desce Galtona oddalają się od punktu startowego statystycznie wolno, cząsteczki kwantowe rozprzestrzeniają się znacznie szybciej podczas ich spaceru.  Tego typu eksperymenty, które zostały przeprowadzone w podobny sposób przy użyciu atomów, jonów i fotonów również w Bonn, Monachium i Erlagen, mogą zostać zastosowane do badań zjawisk naturalnych. Dla przykładu, naukowcy podejrzewają, że transport energii u roślin jest bardziej wydajny dzięki spacerowi kwantowemu niż w przypadku błądzenia losowego. Ponadto, istota badań nad spacerem kwantowym leży w rozwoju modelu komputera kwantowego, który mógłby rozwiązać wszechobecne problemy. Zastosowanie spaceru kwantowego w takim modelu komputera pomogłoby w znalezieniu kwantowych algorytmów przeszukujących, które przewyższają ich klasyczne odpowiedniki jako że odmienne kierunki mogłyby zostać obrane jednocześnie.

Źródło: www.sciencedaily.com