Znanstveniki z odseka za fiziko trdne snovi Inštituta Jožefa Stefana so v obsežni eksperimentalni raziskavi odkrili novo obliko kvantne spinske tekočine. Raziskovalna skupina pod vodstvom profesorja dr. Andreja Zorka je z odkritjem potrdila teoretično napoved švicarskega fizika Gregoryja Hugha Wanniera iz leta 1950. Slovensko odkritje po več kot sedmih desetletjih predstavlja prvo eksperimentalno potrditev napovedanega stanja spinske tekočine celo pri temperaturi absolutne ničle. Znanstveni članek o odkritju so sodelavci objavili v prestižni reviji Nature Materials.
Tekočina, ki ne »zmrzne«
»V fiziki včasih teorije za desetletja prehitijo eksperimente,« je raziskovalno delo svoje znanstvene skupine opisal profesor Zorko. Spomnil je, da je tudi na odkritje Higgsovega bozona – delca, ki snovi podeljuje maso – človeštvo čakalo do leta 2012, kar je bilo skoraj pet desetletij po tem, ko je Peter Higgs s kolegi teoretično napovedal njegov obstoj. Tudi na potrditev obstoja gravitacijskih valov, ki jih je teoretično opisal Albert Einstein leta 1916, je bilo treba čakati sto let.
»V primeru našega nedavnega odkritja pa je šlo za teorijo s sredine preteklega stoletja, ki še ni doživela eksperimentalne potrditve preprosto zato, ker nihče še ni našel oziroma dovolj natančno preučil ustreznega materiala, v katerem bi bila ta teorija lahko realizirana. Preučevanje ustreznega materiala (kristalov neodimovega heptatantalata, op. p.) s širokim naborom komplementarnih eksperimentalnih tehnik je bilo ključno za naš preboj,« je pojasnil.
Spinske tekočine je mogoče po magnetnih lastnostih primerjati s snovmi v tekočem agregatnem stanju. V njih so namreč spini (vrtilne količine v kvantni mehaniki, ki so sorodne vrtenju teles v makroskopskem svetu) neurejeni, a so hkrati že močno korelirani, torej niso povsem nepredvidljivi. »V kristalih, kjer sama geometrija kristalne mreže ni naklonjena magnetnemu urejanju, je lahko stanje spinske tekočine prisotno celo pri temperaturi absolutne ničle,« je posebnost njihovega odkritja novega tipa kvantno prepletene spinske tekočine opisal profesor Zorko. Lastnosti te kvantne snovi so s stališča znanosti nenavadne, saj pri nizkih temperaturah sicer pričakujemo magnetno urejanje snovi.
Prihodnost računalništva
Z inštituta so sporočili, da je odkritje potencialno pomembno tudi za razvoj kvantnih tehnologij prihodnosti. Kvantne spinske tekočine pri tem veljajo za eno najbolj perspektivnih osnov za delovanje kvantnih računalnikov. »V nasprotju z večino drugih platform omogočajo zapis informacij, ki je odporen proti zunanjim motnjam,« pravi profesor Zorko.
Razvoj kvantnih računalnikov je v zadnjem obdobju močno pospešen. Poleg raziskovalnih naprav, ki delujejo v posameznih znanstvenih laboratorijih, je podjetje IBM že razvilo prvi kvantni računalnik, ki je pod določenimi pogoji namenjen za komercialno uporabo. Google naj bi svojo prvo kvantno računalniško napravo na trg poslal še pred koncem desetletja. Zaradi kvantnih lastnosti – denimo dejstva, da kvantni delec sočasno zavzema več različnih kvantnih stanj – so kvantni računalniki sposobni v zelo kratkem času izvesti izračune, za kakršne bi najmočnejši klasični računalniki potrebovali več tisoč let. Kvantni računalniki bodo uporabni zlasti v kriptografiji, pri razvoju strojnega učenja in razvoju zdravil. »Vendar kvantni računalniki veljajo zgolj za alternativo in ne za nadomestek klasičnih računalnikov,« pojasnjuje profesor Zorko. »Pri reševanju nekaterih operacij daleč prekašajo klasične računalnike, pri drugih pa so povsem nepraktični. Prednjačijo predvsem pri reševanju problemov, pri katerih je možnih veliko različnih kombinacij. Problem, s katerim bi se lahko kvantni računalnik uspešno spopadel, je na primer iskanje novih zdravilnih učinkovin. Za realistične simulacije večjih molekul in kemijskih reakcij med njimi bi potreboval le delček časa, ki ga potrebuje najboljši klasični računalnik. Izrednega pomena takšnega potenciala si v današnjih časih epidemije ni težko predstavljati,« pravi Zorko.
