A kvantummechanika elméletének nagyjából száz évvel ezelőtti megszületésekor a hangsúly eleinte még nem annyira az újonnan felfedezett és megfogalmazott fizikai szabályok gyakorlati felhasználásán volt, inkább az egészen mikroszkopikus méretű világ egyedi működésének feltérképezésén és leírásán, amelyet a kvantummechanika úttörői alapoztak meg. Ez volt az első kvantumforradalom ideje, mikor a megszerzett tudást még csak kezdték átültetni a gyakorlatba a fizikusok, a második kvantumforradalom kora pedig akkor jött el, mikor a megismert működési elveket már a precíz kontrollal a saját céljaikra is alkalmazni tudták a kutatók és megszülethettek az atomi szinten irányított kvantumrendszerek és - gépek.

Bár a pontos definíciók eltérhetnek a szakaszok időpontját illetően, de a lényeg a folyamatok szabályozásában rejlik, immár a tudósok képesek az "aktív beavatkozásra" Domokos Péter, a Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársának leírása szerint:

"A fejlődés lényege, hogy immár nem csupán megfigyelői vagyunk a kvantumos világ jelenségeinek, hanem aktívan beavatkozhatunk. Atomokra, molekulákra, fotonokra mi róhatunk ki a kvantummechanika törvényeinek engedelmeskedő mozgást."

- írja a fizikus 2017-es tanulmányában.

Ez a második forradalom számtalan új lehetőséget nyit meg a kutatók előtt, akiknek munkájából később létrejöhetnek olyan, az egész világ számára hasznos, a kvantummechanikai szabályokra építő, újszerű eszközök, amelyek a mindennapi életben is segítséget nyújtanak. A kvantumszámítógépek korábban elérhetetlen sebességgel fedezhetnek fel új hatóanyagokat a gyógyszerekhez, vagy végezhetnek fontos számítási feladatokat a pénzintézeteknek, esetleg segíthetnek új titkosítási módszereket találni. A másik ígéretes technológiát a kvantumérzékelés jelenti, ami a természeti jelenségeket, folyamatokat méri kiemelkedő érzékenységgel, kiaknázva a kvantumvilág olyan jellemzőit, mint például az összefonódás állapota a részecskék között. A kvantumérzékelők közé tartoznak a szupravezető alapú magnetométerek, amelyek többek között a szilárdtestfizikai kutatásokban játszanak szerepet, vagy az atomórák is.

A molekuláris kvantumszenzorok amerikai kutatók 2021-ben publikált tanulmánya szerint olyan személyre szabható és mással össze nem hasonlítható érzékenységű verziói a kvantumérzékelőknek, amelyek számos területen használhatóak, a biológiai kutatásoktól kezdve az asztrofizikáig.

"Sok kvantumérzékelő jelölt létezik, de az atomi szintű hangolhatóság, a reprodukálhatóság és a vegyi specifikusság együttes jellemzője a paramágneses molekulákat az anyagok paradigmaváltó kategóriájává teszik."

- írják a kutatók, akik amellett érvelnek, hogy az ilyen eszközök a kvantumszenzorok egyik fontos összetevőjével is rendelkezhetnek, ami az esetükben elvárás a klasszikus érzékelők jellemzői mellett: az adatok hosszú távú kiolvasására lehetőséget adó élettartammal. Ehhez a részecskék kvantumállapotának koherenciáját elég ideig kell fenntartani ahhoz, hogy az információk ne vesszenek el. A kutatók ezt úgy érték el, hogy a rendszert elzárták a környezet mágneses zajától, és ezzel hétszeresére növelték a koherenciát.

Egy újabb módszer szintén az atomok állapotának minél hosszabb idejű fenntartását célozza, amivel lehetővé válik az információk tartósabb tárolása és így a kvantumérzékelés minőségének javítása. A Colorado Egyetem fizikusai az atomok úgynevezett sötét állapotát használták fel ehhez, amit speciális körülmények idéznek elő az atomok csoportjában. A sötét állapot azt jelenti, hogy az atomok általi fotonkibocsátás megszűnik, vagyis a csoport egy "nem sugárzó" állapotba kerül, és ebből a helyzetből nehezen szabadulnak. Ahhoz, hogy az atomok elérjék ezt a szintet, lézerekre van szükség, amelyekkel létre lehet hozni azt a sajátos gerjesztett állapotot, amelyben, a többi atom közelsége miatt, az egyes részecskék nem tudnak többé fotont kibocsátani és alapállapotukba visszatérni.

A fizikusok nem csak azt fedezték fel, hogy hogyan alakítható ki ez a jelenség többszintű atomokban (korábbi kísérletekben már bizonyították a működését más elrendezésű rendszerekben), hanem azt is, hogy milyen könnyen elérik az atomok a sötét állapotot. Ehhez egy optikai üregben kell őket elhelyezni, ahol összefonódott állapotba kerülnek egymással, majd az üreg rezonancia frekvenciájához és az atomok átmeneti frekvenciájához igazított lézerimpulzusokkal vezérelve előidézhető az állapot, amiben megrekedve később nehezen jutnak vissza eredeti kiindulóhelyzetükbe az egymással való interferencia miatt.

A sötét állapotban lévő többszintű atomcsoportok viselkedését a kutatók egyelőre csak megjósolni tudták, az elmélet bizonyítását szolgáló kísérleteket még nem végezték el, de a számításaik szerint az alkáliföld atomok megfelelő alanyai lennének a vizsgálatoknak és a belőlük készült kvantumérzékelők hatékonyabb megoldást kínálnának a mérésekhez, például az atomórák megbízhatóságát is növelhetnék. A sötét állapot ugyanis, tartós mivoltának köszönhetően sokáig őrzi az információt azzal, hogy ellenáll a dekoherenciának, vagyis az egységes rendszer összeomlásának

(Fotó: NIST/Ye group and Brad Baxley/JILA, Chung-Jui Yu et al/Acs Central Science)

Egy új katonai kvantumérzékelő önmagában lefedi a teljes rádiófrekvencia-spektrumot Egy új kvantumérzékelő lehetőséget adhat a katonáknak a kommunikációs jelek detektálására a teljes rádiófrekvencia-spektrumon, 0 és 100 GHz között - árulták el az amerikai hadsereg kutatói.