A tanulmány a kvantummechanika 1925-ös kialakulásának körülményeit mutatja be. A 20. század elejének nagy megoldatlan problémája volt az atomok vonalas színképének értelmezése, amelyre a fizikusok a klasszikus mechanika és az ad hoc kvantumszabályok egyvelegét javasolták, azonban ez nem nyújtott teljes körű leírást. 1925 júniusában Werner Heisenberg radikális áttörést ért el: elvetette az elektronpályák klasszikus koncepcióját, és kizárólag a megfigyelhető mennyiségekre összpontosított. Az általa kidolgozott mátrixmechanika az energiaszintek közötti átmeneteket matematikai objektumokkal írta le, ezzel megalapozva a modern kvantummechanikát. Munkáját Max Born és Pascual Jordan formalizálták, majd később Erwin Schrödinger hullámmechanikája és Neumann János matematikai keretrendszere tette teljessé. Az új elmélet a klasszikus determinizmust felváltva a valószínűségek és bizonytalanságok világát hozta el, amelynek egyik kulcsfontosságú következménye a Heisenberg- féle határozatlansági reláció volt. A kvantummechanika azóta is a fizika egyik alapvető pillére, technológiai alkalmazásai pedig a modern világ minden területére kihatnak, a tranzisztoroktól a kvantumszámítógépekig.
A tanulmány a kvantummechanika 1925-ös kialakulásának körülményeit mutatja be. A 20. század elejének nagy megoldatlan problémája volt az atomok vonalas színképének értelmezése, amelyre a fizikusok a klasszikus mechanika és az ad hoc kvantumszabályok egyvelegét javasolták, azonban ez nem nyújtott teljes körű leírást. 1925 júniusában Werner Heisenberg radikális áttörést ért el: elvetette az elektronpályák klasszikus koncepcióját, és kizárólag a megfigyelhető mennyiségekre összpontosított. Az általa kidolgozott mátrixmechanika az energiaszintek közötti átmeneteket matematikai objektumokkal írta le, ezzel megalapozva a modern kvantummechanikát. Munkáját Max Born és Pascual Jordan formalizálták, majd később Erwin Schrödinger hullámmechanikája és Neumann János matematikai keretrendszere tette teljessé. Az új elmélet a klasszikus determinizmust felváltva a valószínűségek és bizonytalanságok világát hozta el, amelynek egyik kulcsfontosságú következménye a Heisenberg- féle határozatlansági reláció volt. A kvantummechanika azóta is a fizika egyik alapvető pillére, technológiai alkalmazásai pedig a modern világ minden területére kihatnak, a tranzisztoroktól a kvantumszámítógépekig.
A kvantummechanika világképe gyökeresen eltér a mindennapi tapasztalatainkon alapuló képtől.Míg a klasszikus fizika építhetett a hagyományos matematika eredményeire, a kvantummechanika radikálisan új matematikát kívánt.A 20. századnak ez a legsikeresebb elmélete a mikrovilág leírására született, az elemi részek, atomok és molekulák világát írja le, mégpedig valószínűségi alapon.Három alapvető kvantummechanikai jelenséget ismerünk, az egyik a részecske-hullám kettősség, a második az úgynevezett alagúteffektus, a harmadik pedig, a talán mindennapi tapasztalatainkhoz képest a legfurcsább, ez az úgynevezett szuperpozíció és összekapcsoltság jelensége.Az élő rendszerekben is megjelennek a kvantumos folyamatok, ezért a biológiai folyamatok -az emberben zajló életfolyamatok is -ezen nem klasszikus volta döntő fontosságú életünk minden szegletében.Hankiss Elemér felfigyelt arra, hogy megjelent egy sor munka, amelyek bizonyos társadalmi jelenségeket is a kvantummechanika törvényei alapján próbáltak megmagyarázni.Ezért tartom indokoltnak, hogy az ő emlékére egy rövid bepillantást tegyek a kvantummechanika rejtelmeibe, eljutva néhány, a társadalomtudományokba is behatoló gondolatig.aBSTraCT Spookiness of the quantum world of microsystems comes from being completely different from what we experience in our everyday life.Particle-wave duality, the tunnelling effect, superposition and entanglement, the typical phenomena of the quantum world are difficult to understand on the basis of daily experience.While the classical world can be described by exact equations, the quantum world can be grasped only probabilistically.This requires a new form of mathematics as well.Quantum mechanics penetrates from the non-living material world to the biological one and through biology into human and social phenomena.Elemér Hankiss became involved in the latter issues in the last years of his life.That is why it is appropriate to offer some thoughts on quantum mechanics to his memory.
A kvantum jelenségről még Max Planck, német fizikus állított fel hipotézist 1900-ben, azonban a jelenség igazolására hosszú évtizedekre volt szükség. Az 1980-as években a kvantumtechnika számításokra való felfedezése indította el a kvantum-számítógépek megépítését. A kvantumtechnológiákban rejlő lehetőségek példátlanok"," fizikai, kémiai és biológiai kísérletek szimulálhatók, logisztikai és pénzügyi folyamatok optimalizálhatók, biztonságos és gyorsabb kommunikációt ígérnek. A nagytömegű adatfeldolgozás gyorsasága, komplexitása, titkosságának megőrzése olyan előre látható előnyök, amelyek miatt a jogalkalmazásban is szükséges lesz a kvantumszámítógépek alkalmazása. A tanulmány számba veszi, hogy melyik jogágban milyen lehetőségei vannak a kvantumszámítógépeknek, külön kiemelve a honvédelmet, ahol a kvantumszámítógépek a modern fegyvereket segítő eszközei.
A közelmúltban a kvantumszámítógépek jelentős érdeklődést váltottak ki, ami nem csak potenciális technológiai jelentőségét tükrözi, de komoly kihívást is jelent fizikai megvalósítása. Egy kvantumszámítógép megépítésének nehézsége abban rejlik, hogy olyan fizikai rendszert találjunk, amely rendelkezik a informatikai számításokhoz szükséges nemlineáris kölcsönhatásokkal, és ezzel egyidejűleg vezérelhető is, de nem kapcsolódik olyan erősen a környezethez, hogy a kvantumkoherencia gyorsan elvesszen. Ezért dolgozatom első részében áttekintem egy kvantum-Turing gép főbb részeit és tulajdonságait. A mágneses magrezonancia (NMR) spektroszkópia sokáig vezető szerepet játszott abban, hogy kis méretben viszonylag egyszerű eszköze legyen a technológia demonstrálásának. A Bell-egyenlőtlenségek által leírt két kvantumos rendszer létrehozásával, egyszerű kvantum logikai áramkörök és logikai kapuk kialakításával és effektív tiszta állapotok megvalósításával olyan kísérletek hajthatóak végre, amelyekkel a kvantumösszefonódás és ennek hatása vizsgálható. Ezeknek a kísérleteknek a szimulálásával a kvantummechanika jobban megérthető és segítik az elméleti hátteret mélyebben megismerni. Így a második felében a dolgozatomnak ezeknek a technikáknak a sajátosságait vettem át.
A mikroszkopikus rendszerek leírására a kvantumfizika nagyon sikeresnek bizonyult. Ennek lényege, hogy a rendszert egy állapotfüggvény (hullámfüggvény) írja le, a fizikai mennyiséget pedig operátorral feleltetik meg. Ezeknek az operátoroknak a sajátértékei adják meg a mérés lehetséges értékeit és az ezekhez tartozó sajátállapotokat, továbbá a számítások során megkapjuk a különböző lehetőségek valószínűségeit is. A kvantumfizika eredeti interpretációja szerint a mérés elvégzésekor a sok lehetőség közül csak az egyik realizálódik, vagyis az eredeti állapotfüggvény összeomlik a megvalósuló sajátállapotba. Ezzel az elképzeléssel több elvi probléma is adódik, ezért aztán az utóbbi évtizedekben egyre népszerűbbé vált a sokvilág-interpretáció, amely szerint mindegyik lehetőség egyformán valódinak tekintendő. A matematikai formalizmust tekintve a két elképzelés megegyezik, különbség mindössze az eredmények értelmezésében van. Egyértelmű kísérleti bizonyíték tehát nehezen szerezhető, de ez mégsem lehetetlen. Számos érv van a sokvilág-interpretáció mellet, különösképpen ilyen a működő kvantumszámítógép létezése. A jelen cikk célja, hogy egyfajta hiánypótlásként ezeket a modern eredményeket és elveket magyar nyelven összefoglalja, kiegészítve azokat néhány érdekességgel.
A semleges atomok és atomi ionok ultrahideg, jóval 1 millikelvin alatti, hőmérsékletekre történő lézeres hűtésére és csapdázására irányuló kutatások olyan jelentős eredményekhez vezettek, mint például a kvantumdegenerált gázok előállítása vagy egyetlen csapdázott ion precíz manipulálása. Mintegy 25 évvel ezelőtt merült fel a két kísérleti technika egyesítésének gondolata, amely lehetővé tenné az atom-ion kölcsönhatások kvantummechanikai természetének vizsgálatát ezekben az úgynevezett hibrid csapdákban. Az ultrahideg semleges atomi gázokban nagy részecsketávolságoknál a dinamikát az R−6 szerint változó van der Waals-kölcsönhatás határozza meg. A hibrid csapdákban azonban az R−4 távolságfüggést mutató, töltés - indukált dipólus közötti kölcsönhatás dominál. A kvantummechanikai tartomány elérése ezért továbbra is jelentős kihívást jelent, mivel ehhez még alacsonyabb hőmérsékletekre van szükség. Az ilyen hibrid rendszerek többek között a töltéstranszport és a kvantumgázokban jelen lévő szennyeződések vizsgálatára is alkalmasak lehetnek, emellett ígéretes lehetőséget kínálnak a kvantum-szimulátorok területén. A jelen doktori munka alkálifém atomok és alkáliföldfém ionok ultrahideg ütközéseinek kvantummechanikai leírásával foglalkozik, különös tekintettel azokra a rugalmatlan folyamatokra, amelyek a csapdázott részecskék számának csökkenéséhez vezethetnek. Doktori munkám során két, kísérleti szempontból releváns, ütközési rendszert vizsgáltam: Li-atomok Ba+ ionokkal, valamint Rb-atomok Sr+ -ionokkal történő ütközését, ahol az iont mindkét esetben metastabil gerjesztett állapotba preparálták. A disszertáció a kutatási terület áttekintésével kezdődik, a kísérletileg megvalósult atom-ion kombinációkra fókuszálva. Ezt követően bemutatom ezen rendszerek elméleti leírásához szükséges módszereket. A molekulaionok leírását a Born-Oppenheimer közelítés keretében tárgyalom, amely a csoportunkban fejlesztett kvantumkémiai programmal számí- tott potenciális energia görbék meghatározásának alapját képezi. Ismertetem az impulzusmomentumok csatolásának alapjait a Hund-féle csatolási eseteken keresztül, valamint bevezetem a munkám szempontjából kulcsfontosságú spin-pálya kölcsönhatást. Ezt követően bemutatom a Langevin-modellt, amely az atom-ion ütközések hasznos klasszikus leírását adja. Munkám alapját a kvantummechanikai szóráselmélet képezi, amelynek főbb lépéseit, valamint az általam használt és továbbfejlesztett numerikus programot mutatom be. A módszer alkalmazása során két lépés játszott meghatározó szerepet. Egyrészt az atom-ion kölcsönhatást, amely a molekulaionhoz kötött koordinátarendszerben egyszerűbben írható le, a dinamikai számolásokhoz a laboratóriumi vonatkoztatási rendszerbe kell transzformálni, ami szükségessé tette a vonatkoztatási rendszerek közötti transzformációt. Másrészt az atom-ion kölcsönhatások összetettségét megfelelően kell modellezni, ami esetünkben kvázi-diabatikus eljárások alkalmazását jelentette. A disszertáció utolsó részében a Li/Ba+ és Rb/Sr+ rendszerekre vonatkozó eredményeimet mutatom be. A vizsgálatok több egymással versengő rugalmatlan folyamatot tártak fel, köztük a nem-radiatív töltéskicserélődést, az elektronikus gerjesztési kicserélődést és a finomszerkezeti legerjesztődést. A számított hatáskeresztmetszetek és reakciósebességek jó egyezést mutatnak a rendelkezésre álló kísérleti adatokkal. Az eredmények rámutatnak a spin-pálya kölcsönhatás és a rotációs csatolás erős együttes hatására, amely az alapállapotú részecskék ultrahideg ütközéseire általában nem jellemző. A disszertációt a jövőbeli kutatási lehetőségek bemutatásával zárom, amelyek közé tartozik többek között a modellünkben a részecskék Zeeman-alszintjeinek figyelembevétele, valamint a módszer kiterjesztése más, kísérleti szempontból lényeges atom-ion rendszerre.