Piąty stan materii – obok cieczy, gazu, ciał stałych i plazmy – to kondensat Bosego-Einsteina. Powinniśmy się do niego przyzwyczaić, ponieważ ma fundamentalne znaczenie dla fizyki, a być może w przyszłości także dla naszej cywilizacji, opartej na komputerach i algorytmach uczenia maszynowego. Nie będzie to jednak łatwe, biorąc pod uwagę niezwykłe właściwości tego stanu materii.

– Ten stan jest szczególny, ponieważ w odpowiednich warunkach, przy właściwej gęstości i temperaturze, wszystkie cząstki obserwowane makroskopowo stają się nierozróżnialne i zachowują się kolektywnie jak jedna fala materii – wyjaśnia prof. Barbara Piętka, fizyczka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, kierująca wspólnie z prof. Jackiem Szczytko grupą badawczą Exciton-Polariton Research Group, czyli zajmującą się badaniem polarytonów i ekscytonów (kwazicząstkek przygotowanych, „na bazie” elektronów). Zespół pracuje z kondensatem Bosego-Einsteina, badając jego potencjał w tworzeniu nowego typu sieci neuronowych.

Teoretyczna koncepcja istnienia tego szczególnego stanu materii pojawiła się już 100 lat temu. Do takich wniosków doszedł młody hinduski fizyk, Satyendra Nath Bose, który zwrócił się bezpośrednio do Einsteina (słynny jest list Bosego do wielkiego fizyka). Einstein zainteresował się obliczeniami młodszego kolegi i zaangażował się w prace teoretyczne.

Pierwsze kondensaty Bosego-Einsteina uzyskiwano w latach 90. XX wieku z ekstremalnie schłodzonych atomów. Aby jednak móc w praktyce korzystać z właściwości tego kondensatu, potrzebne było ich uzyskiwanie w temperaturach bliższych pokojowej. W tym celu zaczęto poszukiwać lżejszych cząstek… lub kwazicząstek, takich jak polarytony.

– Dziś jesteśmy na takim poziomie zaawansowania naukowego, że faktycznie możemy zobaczyć ten fundamentalny stan kwantowy – kondensat Bosego-Einsteina – pod mikroskopem, nawet już w temperaturze pokojowej – mówi prof. Piętka. Co ważne, polarytonowy kondensat Bosego-Einsteina emituje światło zbliżone do laserowego, co stanowi dużą wartość z perspektywy praktycznych zastosowań.

Z tego odcinka dowiecie się, czy kondensat Bosego-Einsteina, z jego kwantowymi właściwościami, można przygotować na tyle duży, aby był widoczny gołym okiem, oraz dlaczego fizycy i inżynierowie przez dekady byli tak zdeterminowani, by go uzyskać, mimo licznych niepowodzeń. Odkryjecie również, dlaczego tradycyjna elektronika zbliża się do kresu swoich możliwości i co może ją w przyszłości zastąpić. To solidny, treściwy odcinek, kluczowy dla zrozumienia nadchodzących technologii.

 

TRANSKRYPCJA

Karolina Głowacka: Studio Radia Naukowego odwiedziła profesor Barbara Piętka. Dzień dobry.

 

Barbara Piętka: Dzień dobry państwu.

 

K.G.: Z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, współkierująca Grupą Polarytonową, czyli grupą badawczą badającą polarytony. Drugim kierującym jest znany publiczności Radia Naukowego profesor Jacek Szczytko – pozdrawiamy serdecznie. Myślę, że w tym odcinku będzie dla was dużo nowych pojęć, dlatego możecie sobie od razu wynotowywać słowniczek, bo będzie i o polarytonach, i o ekscytonach, i o wielu innych rzeczach, np. neuromorficznych sieciach polarytonowych. A zaczniemy od czegoś, co publiczność interesująca się fizyką kojarzy bardzo dobrze, ale jest to temat tak fascynujący, że warto go przybliżyć, tym bardziej że pani w zespole ze współpracownikami się tym zajmuje – kondensat Bosego-Einsteina. Czy to jest taki stan materii, gdzie te niezwykłe, niesamowite, przyprawiające o zawrót głowy właściwości kwantowe są widoczne w skali może nie makro, bo chyba nie widzimy tego gołym okiem, ale w skali mikro, pod mikroskopem? To jest coś takiego?

 

B.P.: Tak. Jesteśmy obecnie na takim poziomie zaawansowania naukowego, kiedy ten fundamentalny stan kwantowy – kondensat Bosego-Einsteina – jesteśmy w stanie zobaczyć pod mikroskopem, nawet w temperaturze pokojowej. Są to osiągnięcia ostatnich lat i jest to rzeczywiście niesamowite, że od tysiąc dziewięćset dwudziestego roku do teraz nasza nauka rozwinęła się do tak ogromnego poziomu zaawansowania, zarówno zrozumienia teoretycznego, jak i eksperymentalnej implementacji tych wyników. Potrzebowaliśmy rozwinięcia technologii laserowych i półprzewodnikowych, żeby oglądać teraz pod mikroskopem w temperaturze pokojowej stan kondensatu Bosego-Einsteina. 

 

K.G.: Jak się zachowują cząstki w tym kondensacie?

 

B.P.: Mówimy, że kondensat Bosego-Einsteina jest podstawowym stanem materii. Mamy gaz, ciecz, ciało stałe i plazmę – dokładamy do tego kondensat Bosego-Einsteina dlatego, że jest fundamentem wielu innych zjawisk na poziomie kwantowym. Jest on szczególny dlatego, że w odpowiednich warunkach zarówno gęstości, jak i temperatury wszystkie cząstki, które obserwujemy makroskopowo, obsadzają dany podstawowy stan kwantowy. Czyli wszystkie stają się w tym stanie nierozróżnialne i zachowują się kolektywnie jak jedna fala materii. Nie możemy już powiedzieć, że w danym punkcie w przestrzeni mamy jakąś cząstkę, nie możemy ani prześledzić jej trajektorii ruchu, ani nic powiedzieć o jej pędzie czy ewolucji. Musimy traktować wszystkie cząstki kolektywnie, razem i dopiero im możemy przypisać jakieś globalne zachowania. Jeżeli startujemy z jakiegoś gazu – i tutaj powinniśmy zacząć np. od gazu atomowego, bo to najłatwiej zrozumieć – czyli wybieramy sobie chmurę atomów, które zajmują jakąś przestrzeń, to na początku w wysokiej temperaturze możemy z grubsza powiedzieć, gdzie jest który atom. Kiedy ochładzamy chmurę do niskich temperatur, okazuje się, że każdy atom nagle zajmuje całą dostępną przestrzeń. Zaczynają się przykrywać, oddziaływać ze sobą w taki sposób, że stają się nierozróżnialne i każdy z nich znajduje się w tym momencie w tym samym stanie kwantowym, co oznacza, że każdy jest opisany tymi samymi liczbami kwantowymi. 

 

K.G.: Czyli każdy jest wszędzie w tym obszarze kondensatu?

 

B.P.: Tak. Stąd ta niezwykłość tego świata, to poruszenie wyobraźni. Musimy powiedzieć, że każdy jest wszędzie makroskopowo, na całej przestrzeni. Mówimy „makroskopowo”, bo mogą to być duże rozmiary, mogą to być setki mikrometrów. Żeby odróżnić jeden atom od drugiego, musimy mieć chociaż jeden parametr, który nam pozwoli je zidentyfikować i opisać. A tutaj tego nie ma, one wszystkie mają dokładnie takie same makroskopowe i mikroskopowe parametry.

 

K.G.: Mówiła pani o tym, że obniża się temperatura tych atomów. Rozumiem, że wcześniej widzimy je w dużym uproszczeniu jako takie kuleczki, które się od siebie odbijają, bo temperatura to jest energia ruchu tych cząstek. A jak zabieramy im tę energię, to one się robią coraz bardziej leniwe, coraz mniej się poruszają i w końcu zaczynają ze sobą wspólnie trwać. Można sobie to tak wyobrażać?

 

B.P.: Tak, natomiast dzieje się jeszcze jedna bardzo ciekawa rzecz. W momencie, kiedy obniżamy temperaturę i zaczynamy się przyglądać pojedynczym atomom, okazuje się, że wchodzimy w całkowicie kwantowy świat, kiedy te mikroskopowe własności zaczynają się rozciągać na duże odległości. Jak to jest możliwe? Taką skalą odległości, energii, pędu w fizyce kwantowej jest stała Plancka. Jest to podstawowe odkrycie fizyki kwantowej, że musimy skwantować przestrzeń, zamknąć i zacząć opisywać w malutkich porcyjkach. Nie ma mniejszej porcji i tą porcją jest stała Plancka. Oczywiście ta stała to wymiar – energia razy czas, natomiast jak chcemy przeskalować dalej, to trzeba odpowiednio pomnożyć albo podzielić przez prędkość światła i wtedy ma się pozostałe wartości. W skrócie stała Plancka łączy energię z jakąś długością w przestrzeni, czyli np. dla fotonu będzie to długość jego fali. Jeżeli chcielibyśmy dalej rozciągnąć to rozumowanie na cząstki, które mają masę, to możemy przypisać danej cząstce materialnej pęd, a pęd ze stałą Plancka możemy powiązać z długością, czyli z rozmiarami tej cząstki. Jeżeli iloczyn pędu i długości będzie stałą Plancka, to jeżeli zaczniemy zmniejszać pęd, to znaczy, że musimy rozciągnąć tę skalę długości. To jest właśnie fundament kondensatu Bosego-Einsteina. Mówimy, że każdej cząstce, która ma pęd – czyli np. cząstka masowa, która ma jakąś masę, porusza się z jakąś prędkością – odpowiada jakaś konkretna długość fali, jakiś konkretny rozmiar. Jeżeli obniżamy pęd, musi się zwiększać długość fali. I dlatego w momencie, kiedy zaczynamy chłodzić atomy do niskich temperatur, stają się one coraz większe i zaczynają nakładać się z kolejnymi atomami, które są gdzieś w przestrzeni. Przez to w momencie, kiedy te długości zaczynają ze sobą korespondować, czyli średnia odległość pomiędzy atomami nagle staje się porównywalna z ich długością czy rozmiarem, możemy jeszcze dołożyć tę nazwę – to jest długość fali de Broglie’a…

 

K.G.: Pani ulubieńca. [śmiech]

 

B.P.: Tak jest. [śmiech] Uważam, że to było fantastyczne odkrycie – opisanie cząstki masowej za pomocą fali. Każda cząstka masowa poruszająca się z jakąś prędkością może mieć przypisaną falę. Oczywiście foton również, tylko akurat o nim łatwiej nam myśleć, że jest falą i cząstką jednocześnie. Natomiast, żeby się przyzwyczaić, że każda masowa cząstka ma jakąś falę, to jest już coś bardziej skomplikowanego. Możemy też porównać sobie, jakby to było. Bo na początku powiedziałyśmy, że w wysokiej temperaturze gazy atomów możemy traktować jako oddziałujące czy zderzające się kule bilardowe. W wysokiej temperaturze mamy teorię kinetyczną gazów, rozkład Maxwella-Boltzmanna, który pozwala nam opisać wszystkie parametry ciśnienia, temperatury czy średniej prędkości. Natomiast w takim razie, z jaką długością jest to związane? Jeżeli weźmiemy sobie np. taką kulę bilardową, która ma około dwustu gramów i będzie się poruszała z prędkością dwóch metrów na sekundę, to okazuje się, że długość fali de Broglie’a w metrach to jest około dziesięciu do minus trzydziestej trzeciej metra, czyli coś, co jest poza żadnymi sensowymi skalami dlatego, że rozmiar atomu to będzie dziesięć do minus dziesiątej metra albo rozmiar samego jądra atomowego to dziesięć do minus czternastej metra. W porównaniu z tą długością fali de Broglie’a, którą przypisujemy makroskopowej kuli bilardowej, to jakieś trzydzieści rzędów wielkości. Od razu widać, że mechanika kwantowa kompletnie nie ma zastosowania do takich masowych obiektów. Dla człowieka, kuli bilardowej czy nawet atomu azotu w powietrzu ciągle nie stosuje się mechaniki kwantowej i świetnie radzimy sobie w opisie rzeczywistości z mechaniką klasyczną.

 

K.G.: Chociaż formalnie to jesteśmy falami, tylko ten efekt jest tak mały, że zaniedbywalny? Tak mówicie wy, fizycy?

 

B.P.: Gorzej niż zaniedbywalny. [śmiech] Nieistotny, poza wszelkimi skalami rozumowania.

 

K.G.: Ale jak zajdziemy w te małe skale, to jest zupełnie inna rozmowa.

 

B.P.: Możemy zmienić skale, iść w innym kierunku, możemy wziąć atom dowolnego gazu, np. rubinu albo sodu, i zacząć obniżać temperaturę. W momencie, kiedy weźmiemy np. masę atomu rubinu i zaczniemy obniżać ją poniżej albo w okolice nanokelwinów, dziesięć do minus dziewiątej kelwina, czyli z punktu widzenia skali Celsjusza to jest praktycznie zero bezwzględne, to okazuje się, że długość fali związana z tym atomem zaczyna być coraz większa. Dochodzimy już do skali rzędu dziesięć do minus siódmej metra, czyli ta długość fali zaczyna już wychodzić poza rozmiary atomu. Ten atom staje się większy. Jeżeli będziemy jeszcze obniżać tę temperaturę, to długość fali będzie coraz większa. Jak wyobrazimy sobie wspaniałą teoretyczną granicę absolutnego zera, to ta długość fali będzie nieskończona. 

 

K.G.: Ten atom byłby wszędzie, w całym Wszechświecie?

 

B.P.: Takie są właśnie granice nieskończoności. [śmiech] Wystarczy, żeby ta długość fali rozciągała się na sąsiednie atomy, żeby zaczęły one ze sobą oddziaływać, przykrywać się. W pewnym momencie mówiło się też, że można sobie wyobrazić, że to troszkę efekt interferencyjny i nakładania się tych kolejnych fal, ale właściwie własnościami tego stanu całkowicie rządzą równania statystyczne. Czyli statystyka pokazuje nam, że dużo atomów jest w stanie obsadzać stan podstawowy. 

 

K.G.: Mówi pani o tym, że to podstawowy stan materii. Jak to rozumieć? Jeden z podstawowych? Czyli mamy gaz, ciała stałe, ciecze, plazmę i kondensat Bosego-Einsteina czy on jest jeszcze bardziej podstawowy od tych wymienionych? I czy występuje w ogóle gdzieś naturalnie, czy to jest tylko kwestia laboratoriów?

 

B.P.: Chcielibyśmy powiedzieć, że jest to podstawowy stan materii, czyli umieścić go obok tych gazów, cieczy itd. dlatego, że w fizyce kwantowej znamy bardzo wiele ciekawych stanów. Znamy takie stany jak nadprzewodnictwo, nadciekłość, różne stany kwantowego efektu Halla, jakiejś dziwnej materii. Fizyka kwantowa jest bardzo bogata, możemy też mówić o różnych fazach materii. Natomiast jak zaczniemy doszukiwać się źródła pochodzenia tych stanów – takie najbardziej podstawowe to nadprzewodnictwo i nadciekłość – to okazuje się, że fundamentem tych stanów jest kondensat Bosego-Einsteina. Nadciekłość, czyli istnienie cieczy o zerowej lepkości – jak zaczniemy się zastanawiać, jak opisać ten stan i gdzie ta zerowa lepkość ma wyjść, i ile atomów pokazuje stan o zerowej lepkości, to okazuje się, że są to wielkości bardzo porównywalne z cząstkami, które są w kondensacie Bosego-Einsteina. A więc jest to fundamentalny stan. Tak samo nadprzewodnictwo – mówimy, że mamy przepływ prądu bez oporu, ale fundamentem nadprzewodnictwa będzie łączenie się elektronów w pary Coopera poprzez oddziaływania z siecią czy z drganiami. Bozony przechodzą w stan kondensatu Bosego-Einsteina i pokazują cechy nadprzewodnictwa.

 

K.G.: À propos – powiedzmy, jakie cząstki mogą być w tym stanie Bosego-Einsteina. Bo mówimy o atomach dlatego, że one jako pierwsze zostały w ten stan wprowadzone przez człowieka, ale mogą to być nie tylko one.

 

B.P.: Fizyka dzieli świat na dwie grupy – świat bozonów i fermionów. Bozony to cząstki o spinie całkowitym. Jeżeli dotychczas mówiłam o gazie atomów, to tak czy siak miałam na myśli tylko i wyłącznie atomy przygotowane w stanie o całkowitym spinie. 

 

K.G.: Może nie będziemy dokładnie wchodzić w to, czym jest spin. Nazwijmy to po prostu jedną z własności cząstek – może tak będzie łatwiej.

 

B.P.: Tak, fundamentalna własność cząstki wynikająca z jakiejś jej natury kwantowej. Jedne mają liczbę całkowitą, drugie mają liczbę połówkową. Bozony mają całkowitą, a fermiony połówkową. Czyli do świata fermionów zaliczamy elektrony, a do świata bozonów fotony.

 

K.G.: Proszę zwrócić uwagę, że elektrony są w świecie fermionów, ale będą brane pod uwagę w naszej rozmowie, a przecież mowa o kondensacie Bosego-Einsteina, który może być zrobiony z bozonów. Ale jak to się dokładnie dzieje, wyjaśnimy za chwilę. Jedna rzecz umknęła – czy ten stan może istnieć naturalnie? Co o tym wiemy?

 

B.P.: Jeżeli powiemy, że naturalnie istnieje nadprzewodnictwo i nadciekłość, to ten stan przewija się naturalnie. Natomiast stan kondensatu Bosego-Einsteina z zimnych atomów nie istnieje naturalnie, a przynajmniej my go nie znamy w granicach naszego rozumowania. Wydaje nam się, że pewnie w gwiazdach neutronowych, czyli gdzieś w superpłynnej materii, w ogromnych temperaturach i pod wysokim ciśnieniem fundamentem może być kondensat Bosego-Einsteina. Natomiast w warunkach na Ziemi, w naszej cywilizacji nie znamy takiego stanu. 

 

K.G.: Chciałabym jeszcze porozmawiać o tej kwestii skali, bo to jest zawsze fascynujące, jak ten kwantowy świat wyrywa się z supermałej skali i zaczyna się manifestować w skali większej, chociaż nawiasem mówiąc, to, że w ogóle się nie rozpadamy i nie zapadamy w siebie, też jest związane z tym, że fizyka kwantowa działa na tym podstawowym poziomie, ale to na inną rozmowę. Moment granicy między tym światem kwantów i skali makro – mamy tutaj kondensat Bosego-Einsteina, który manifestuje te czysto kwantowe cechy, a jednocześnie możemy go zobaczyć pod mikroskopem. Jestem ciekawa, jak duży można zrobić taki kondensat. Czy wyobraża sobie pani, że można by stworzyć kondensat tak duży, że moglibyśmy sobie go położyć na stole? Naprawdę w skali makro, widoczny gołym okiem.

 

B.P.: Wyobrażam sobie. Wydaje się, że bylibyśmy w stanie. Może jeszcze troszeńkę nam brakuje, ale nie są to duże skale czasowe. W tej chwili i kondensaty atomowe, i te, które badamy, polarytonowe, potrafią mieć rozmiary setek mikrometrów. Jest to coś, co bardzo łatwo widać pod zwykłym, standardowym mikroskopem. Dla nas są to już bardzo duże obiekty. Żeby było to widoczne gołym okiem, pewnie spodziewalibyśmy się jakiejś milimetrowej skali, ale moim zdaniem to naprawdę jest możliwe.

 

K.G.: Nie ma żadnych fundamentalnych, fizycznych ograniczeń.

 

B.P.: Nie. Tylko nasza technologia, metody wytwarzania. Natomiast jest jeszcze pytanie, co to znaczy „zobaczyć”? Zobaczyć sam stan jest trudno dlatego, że musi on zacząć oddziaływać np. z fotonami, które muszą się na tym stanie co najmniej rozproszyć tak, żeby to światło doszło do naszego oka. Więc jest ten problem, że zawsze to będzie pośrednie oglądanie. Te kondensaty, o których później powiemy, które obserwujemy w temperaturze pokojowej, mają tę wspaniałą własność, że emitują światło. Więc po prostu patrząc na ten obiekt, widzimy, jak emituje światło, i analizując własności tego światła, jesteśmy w stanie powiedzieć, że jego źródłem był kondensat Bosego-Einsteina. Oglądamy to pośrednio poprzez światło emitowane z tego, ale…

 

K.G.: Ale wszystko tak oglądamy, Słońce też przecież tak oglądamy – ponieważ emituje ono światło. Chciałam króciutko wrócić do historii i tego, jak w ogóle ten stan kwantowy zaczął być postulowany, bo mówiłyśmy o tym, że to są lata dwudzieste. Młody indyjski naukowiec zainspirował całą tę historię – to jest w ogóle niezwykła rzecz, że na początku było to postulowane czysto teoretycznie, ale było tak mocne w podstawach, że przez dekady wierzono, że uda się ten stan wytworzyć. Zechce pani przypomnieć tę historię?

 

B.P.: To jest bardzo piękna historia dlatego, że odnosi nas do jakichś równań. Mamy postulaty mechaniki kwantowej, mówimy, że świat jest kwantowalny, że musimy zamknąć fotony w pojedyncze paczki – i tak są dystrybuowane, zachowując się jak pojedyncze cząstki. Różni naukowcy zaczęli implementować te postulaty do swojej wiedzy. Satyendra Bose pracował na uniwersytecie w Dhace – jest to teren dzisiejszego Bangladeszu, ale wtedy była to kolonia brytyjska. Analizował on równania statystyczne opisujące kinetyczną teorię gazów. Gsazy w wysokiej temperaturze były opisane za pomocą równań Maxwella-Boltzmanna, a on powiedział, że właściwie to nie musi brać tej klasycznej części, tylko od razu może powiedzieć, że zamkniemy przestrzeń w takie pojedyncze paczki skalowane stałą Plancka, i wychodząc z tych założeń fundamentów fizyki kwantowej, zaczął opisywać, jak gaz fotonów będzie się zachowywał w określonej temperaturze. Zauważył, że w momencie, kiedy zaczyna obniżać temperaturę takiego gazu fotonów, pojawiają się zupełnie nowe własności. Okazuje się, że sam gaz fotonów może się znaleźć w pojedynczym stanie kwantowym, czyli wszystkie fotony mogą obsadzać pojedynczy stan podstawowy. Tym samym stają się znowu nierozróżnialne i jest to ten wyjątkowy stan. Sam Bose nie był w stanie uwierzyć w te wyniki, ale bardzo mu się podobały, chciał je mimo wszystko opublikować.

 

K.G.: To jest jeszcze ten czas szoku istnienia efektów kwantowych, bo to przecież lata dwudzieste.

 

B.P.: Tak, to zupełne początki. Bardzo wielu naukowców nie wierzyło w mechanikę kwantową. Była ona zaskakująca, podzielenie świata na małe, ściśle określone paczki nie mieściło się w głowie, wydawało się, że ten świat powinien być ciągły. Więc nikt nie chciał za bardzo uwierzyć Bosemu, musiał on sam zawalczyć o swoją pozycję. Tworzył uniwersytet w Dhace, jego zadaniem było stworzenie wydziału fizyki i całej nauki, więc miał tam bardzo dużo zadań. Wykładał fizykę statystyczną i zaczął trochę przemycać tę fizykę kwantową, która nie wszystkim się podobała, nie wszyscy to akceptowali. Wysłał tę publikację ze swoimi wynikami do „Philosophical Magazine” – angielskiego czasopisma – ale została odrzucona. Był to moment, kiedy ludzie nawet przestali globalnie wierzyć w fizykę kwantową dlatego, że nie było eksperymentów potwierdzających, że ta teoria jest słuszna. Więc na tym etapie pozostawało to po prostu piękną teorią, nieudowodnioną eksperymentalnie, czyli właściwie na granicy wyrzucenia do kosza. Natomiast Bose się nie poddał i odważył się wysłać swoje wyniki do Alberta Einsteina, który był już wtedy światowej klasy naukowcem i który zachwycił się tą pracą. Przetłumaczył ją na niemiecki i wysłał do niemieckiego czasopisma z prośbą o publikację. 

 

K.G.: Zadziałała siła autorytetu.

 

B.P.: Zdecydowanie. Wyniosła ona bardzo dużo osiągnięć fizyki kwantowej na światło dzienne, pozwoliła na uwierzenie, że jest to prawda. Sam Einstein opatrzył tę publikację notatką, że wierzy, że to prawda i że nie tylko fotony będą miały takie własności, ale dowolna masowa cząstka. I to był kolejny skok – nie tylko bezmasowe fotony, czyli gaz fotonów idealnych, tylko dowolna cząstka, która będzie masowa. I to był kolejny przełom. Dlatego w tej chwili nazywamy ten stan kondensatem Bosego-Einsteina. Bose pokazał to dla fotonów, Einstein rozszerzył o dowolne cząstki masowe, później napisał kolejną pracę o cząstkach masowych i wysłał do Dhaki pocztówkę, która tak naprawdę uratowała pozycję Bosego. Dzięki temu dostał on wizę i mógł pojechać do Einsteina. Były takie dwa lata, kiedy pracował bezpośrednio z nim. Pracował też z Louisem de Brogliem, z Marią Skłodowską-Curie i dzięki temu mógł dalej rozwijać swoją teorię. Ciekawe, że nie dostał Nagrody Nobla za swoje odkrycia. Był nominowany, ale ponieważ były to czasy, kiedy brakowało autorytetu, który by go poparł, kilku recenzentów powiedziało, że to nie jest odkrycie na skalę światową i nie dostał tej nagrody.

 

K.G.: Pewnie jakby był eksperyment, to byłaby zupełnie inna historia, ale przecież tyle przyszło czekać na uzyskanie tego kondensatu. To jest właśnie niezwykła opowieść o determinacji i przekonaniu o tym, że dana teoria może być prawdziwa. Bo istnienie takiego stanu materii postulowano w latach dwudziestych, a udało się go uzyskać z wychładzanych atomów dopiero w latach dziewięćdziesiątych.

 

B.P.: Tak, to niesamowite. Siedemdziesiąt lat poszukiwań, rozwoju technologii, żeby można było pokazać, że ten stan istnieje. Nawet kiedy Einstein powiedział, że taki stan jest możliwy, dodał adnotację, że to zbyt piękne, żeby było prawdziwe. Ale świat już usłyszał, zobaczył i stwierdził, że rozpoczyna się wyścig. I rzeczywiście, siedemdziesiąt lat po odkryciach Bosego i Einsteina, w tysiąc dziewięćset dziewięćdziesiątym piątym roku, w dwóch laboratoriach – w Kolorado i Massachusetts – świat po raz pierwszy zobaczył atomy schłodzone do rekordowo niskich temperatur rzędu stu siedemdziesięciu nanokelwinów. 

 

K.G.: No to naprawdę zimno. Za chwilę przejdziemy do współczesnych badań i tego, czym zajmuje się pani razem z zespołem, ale najpierw musimy jeszcze poznać kolejny przełom, jaki się wydarzył już w XXI wieku, kiedy wchodzi ta nowa fizyka i już nie tylko potrafimy schłodzić atomy do takiego poziomu, żeby tworzyły kondensat Bosego-Einsteina, ale gra toczy się także o to, żeby nie musieć korzystać z tak niskich temperatur. Bo jest to bardzo niewygodne i niepraktyczne. Mogłaby pani opowiedzieć o kolejnym przełomie – wytwarzaniu kondensatu z innych cząstek?

 

B.P.: Tak. Atomy były fundamentalne dlatego, że były znane, można było je wytwarzać w bardzo łatwy sposób. Ale od samego początku odkryć Bosego-Einsteina było wiadomo, jaka jest temperatura krytyczna na obserwacje przejścia fazowego, czyli z gazu tych atomów albo cząstek rozróżnialnych do gazu nierozróżnialnych. Nazywamy ten moment przejścia warunkami krytycznymi. Możemy tutaj np. przypisać temperaturę krytyczną takiego gazu. Wiemy, że zależy ona odwrotnie proporcjonalnie do masy. Im lżejsze cząstki, tym ta temperatura krytyczna będzie większa. Więc jeżeli mówimy o cząstkach dla nas absolutnie ciężkich, czyli atomach, to mamy temperaturę krytyczną na poziomie nanokelwinów. Ale jak zaczynamy odbierać troszkę tej masy i szukać coraz lżejszych cząstek, okazuje się, że jest taki moment, kiedy możemy obserwować kondensat Bosego-Einsteina w temperaturze pokojowej i odpowiada to ciężkiemu fotonowi. Jest to prawie czysty foton, ale jeżeli zaczniemy go ubierać w jakieś oddziaływania, to okazuje się, że dochodzimy do temperatury pokojowej. Tak naprawdę już cząstka na poziomie masy pojedynczego elektronu będzie w stanie przejść do kondensatu Bosego-Einsteina w takich rozsądnych temperaturach. Dla fizyka rozsądne są ciecze kriogeniczne, czyli jesteśmy w stanie bardzo łatwo utrzymać w laboratorium temperatury rzędu dwóch kelwinów, bo jest to temperatura ciekłego helu, albo temperatura ciekłego azotu, a temperatura pokojowa to już w ogóle fantastycznie. Musielibyśmy znaleźć bozony o masie porównywalnej z masą elektronu.

 

K.G.: Bo elektrony są fermionami i z nich kondensatu nie będzie.

 

B.P.: Tak. Z czystego fermionu nie będzie. Ale jeżeli weźmiemy np. dwa elektrony albo parzystą liczbę elektronów, które zaczną ze sobą oddziaływać, to tworzymy jakiś stan związany, oddziałujący i możemy utworzyć coś, co nazywamy quasi-cząstką, czyli quasi-bozonem. Dwa elektrony połączone ze sobą za pomocą oddziaływania, którym w jakichś określonych warunkach będziemy w stanie przypisać np. pęd i opisać jakimiś równaniami, np. przypisać energię kinetyczną, możemy już traktować jako quasi-bozon, czyli cząstkę ubraną, a więc w danych warunkach sztucznie wytworzony bozon. 

 

K.G.: Modyfikujemy jakoś elektron, ten fermion, cząstkę o spinie połówkowym – i co? Czy to można rozumieć tak prosto, że jak biorę dwa elektrony, to zrobię sobie z tego różnymi sposobami cząstkę o spinie całkowitym?

 

B.P.: Możemy wziąć dwa elektrony, ale musielibyśmy dołożyć do tego jeszcze jakiś foton, czyli drgania sieci, i w tym momencie zrobić pary Coopera. Ale my zrobimy troszkę inaczej. Nie bierzemy dwóch elektronów dlatego, że odpychają się one wzajemnie, a my chcielibyśmy utworzyć stan związany. Więc wzięlibyśmy sobie elektron, ale też jakąś cząstkę, która będzie podobna do elektronu, ale nie będzie miała ładunku ujemnego, tylko dodatni. Jakbyśmy mieli takie dwa fermiony – jeden o ładunku ujemnym, a drugi dodatnim – które oddziaływałyby ze sobą kulombowsko, utworzyłyby w ściśle określonych warunkach stan związany, to bylibyśmy po dobrej stronie mocy. 

 

K.G.: Skąd go wziąć?

 

B.P.: I tutaj wchodzą nasze własności półprzewodnika. Mamy takie materiały, którymi są półprzewodniki. Charakteryzują się one tym, że mają ściśle określone pasma energetyczne i tylko w ścisłych warunkach jesteśmy w stanie przenieść elektron do jakiegoś stanu wzbudzonego. Jeżeli go tam przeniesiemy w półprzewodniku, to pozostawimy po nim puste miejsce. Ponieważ brakuje tego ładunku ujemnego, okazuje się, że to puste miejsce można traktować jako ładunek dodatni ze wszystkimi innymi własnościami, jakich nam brakowało po elektronie, trochę takie lusterko. Te dwa stany – elektron w stanie wzbudzonym z pustym miejscem w stanie podstawowym – tworzą już stan związany. To puste miejsce to oczywiście ruch tych N minus jeden elektronów, czyli wszystkich elektronów, z których zabraliśmy jeden. Ale to nic nie szkodzi. Mimo wszystko możemy przypisać temu stanowi określoną masę, ładunek, energię kinetyczną. Więc już zachowuje się jak quasi-cząstka. I tę quasi-cząstkę nazywamy dziurą. W półprzewodnikach możemy mieć zarówno elektrony, jak i dziury. W bardzo krótkim czasie te dwa stany stworzą stan związany i to jest nasz wspaniały ekscyton. Dla specjalistów nazywa się to ekscyton, ale jakby ktoś chciał myśleć inaczej, to jest to po prostu elektron ubrany w oddziaływania, który staje się bozonem.

 

K.G.: Ekscyton, czyli mamy wzbudzony elektron, który jest związany z dziurą po sobie w niższym stanie? 

 

B.P.: Tak, bo półprzewodniki charakteryzują się tym, że mają różne pasma energetyczne, czyli półprzewodnik w stanie podstawowym nie przewodzi prądu. Natomiast, jeżeli wzbudzimy półprzewodnik, a więc przeniesiemy elektron ze stanu podstawowego do stanu wyższego, to okazuje się, że może on w tym stanie przewodzić, jest swobodny i odpowiada np. za przewodzenie prądu. 

 

K.G.: I mamy wtedy ekscyton, który już ma własności bozonu?

 

B.P.: Tak. Ekscyton ma własności bozonowe w tym krótkim czasie swojego życia.

 

K.G.: Pewnie bardzo krótkim.

 

B.P.: Jak się dobrze zaprojektuje półprzewodnik, to mogą być milisekundy. My żyjemy w czasie pikosekund. No ale dla nas wystarczający czas życia jest taki, który pozwala nam to obejrzeć za pomocą dostępnych detektorów. Więc jeżeli mamy detektor, który pozwala nam obserwować ten czas w łatwy sposób, to już niczego więcej nie potrzebujemy.

 

K.G.: Okej, ale czym są w takim razie polarytony? Bo ekscytony to jedno, ale państwo robicie bozony z polarytonów. Czym one są?

 

B.P.: Powiedzieliśmy, że musimy wyciągnąć ten elektron ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego, pozostawiając po nim dziurę. Robimy to tak, że musimy dostarczyć energię do tego półprzewodnika, czyli jeżeli weźmiemy pojedynczy foton, poświecimy na półprzewodnik i energia fotonu będzie idealnie dostrojona do przejścia do stanu wzbudzonego, to wzbudzamy ten elektron fotonem. I to jest foton, który zostanie zaabsorbowany na to przejście i wzbudzenie, ale w otoczeniu możemy mieć bardzo dużo innych fotonów. Elektron po tym krótkim czasie życia wraca do stanu podstawowego, emitując z powrotem ten foton. Natomiast, jeżeli czas życia będzie odpowiednio długi i będziemy w stanie wytworzyć takie warunki rezonansowe, że foton wielokrotnie wzbudzi elektron i będziemy mieć wielokrotne przejście, zamianę jednego w drugim, to okaże się, że ten układ stanie się na tyle sprzężony, że znowu nie będziemy mogli oddzielić fotonu od tego wzbudzenia, tylko to się będzie zachowywać jak kolejna ubrana quasi-cząstka. Jest to kolejny etap oddziaływania, czyli jeszcze silniejsze oddziaływanie, wielokrotna wymiana energii pomiędzy fotonem i tym wzbudzeniem. I to nam tworzy polaryton – nazywamy to polarytonem ekscytonowym dlatego, że jest to silne sprzężenie fotonu z ekscytonem. Tworzy to stan związany i znowu możemy powiedzieć, jaką masę ma ta quasi-cząstka, możemy przypisać jej pęd, opisać energię, z jaką się będzie zachowywała. Wiemy, jaka jest energia kinetyczna w danym materiale półprzewodnikowym. Dlatego mamy prawo przez krótki czas nazywać ten układ quasi-cząstką.

 

K.G.: Wyobrażam sobie, że trzeba zmusić te cząstki do tego, żeby się w ten sposób zachowywały. Temperatura może być pokojowa, tak?

 

B.P.: Tak, jeżeli mamy bardzo dobre materiały, to temperatura musi być pokojowa, natomiast geometria tego materiału musi być bardzo dobrze dobrana.

 

K.G.: Właśnie, co zrobić, żeby one się zachowały tak, jak chcemy? I żeby się utrzymały przez ten krótki czas? Czy to musi być jakiś system pułapek, czy kwestia ciśnienia? Co tutaj jest potrzebne?

 

B.P.: Jest nam potrzebna przede wszystkim wysoka jakość kryształu półprzewodnikowego, musi to być materiał bez defektów, o jak najlepiej wytworzonej sieci krystalicznej. Ponadto foton nie może uciekać. Musimy mieć jego wielokrotne oddziaływanie z materiałem, dlatego najlepiej, żeby był on też zamknięty w jakiejś ograniczonej przestrzeni, czyli w dokładnie tej przestrzeni, w której chcemy tworzyć same ekscytony.

 

K.G.: Ale czym? Po prostu systemem lusterek?

 

B.P.: Tak, tylko takich maleńkich. Jeżeli postawimy dwa lusterka naprzeciwko siebie, to stworzymy ograniczenie dla fotonu i on będzie się odbijał pomiędzy tymi lusterkami. Te lusterka muszą być bardzo dobrej jakości i postawione bardzo blisko siebie. Najlepiej, żeby odległość pomiędzy nimi była poniżej pojedynczych mikrometrów i żeby maksimum pola elektrycznego od fotonu było dokładnie w tym miejscu, w którym wzbudzamy ten materiał półprzewodnikowy. Można powiedzieć, że tworzymy specjalne pułapki dla fotonów, bo odbijają się one od jednego do drugiego lusterka milion razy i dzięki temu to oddziaływanie światła jest znacznie silniejsze niż po prostu fotonu biegnącego jak ze zwykłego lasera. Możemy wziąć zwykły laser i poświecić na jakąś płytkę półprzewodnikową, ale nie doprowadzimy do tego silnego sprzężenia. Musimy złapać fotony, żeby jak najdłużej oddziaływały z tym materiałem, żeby ta wymiana energii zachodziła wielokrotnie. 

 

K.G.: Chciałabym zapytać, jak wygląda codzienność pracy pani zespołu. Czy tworzycie takie kondensaty polarytonowe codziennie? Jak to się robi tak na co dzień w pracy?

 

B.P.: Przede wszystkim musimy mieć materiał, który jest specjalnie zaprojektowany. To jest taka kanapeczka, w której mamy różne warstwy półprzewodnikowe ułożone w taki sposób, żeby tworzyły ze sobą lustro i jeszcze miały tę aktywną warstwę, podatną na wzbudzenia idealnie w środku pomiędzy lustrami. Jeżeli mówimy o materiałach typowo półprzewodnikowych, najbardziej znanych – arsenek galu, tellurek kadmu, azotek galu – to są specjalne maszyny, które hodują takie warstwy atom po atomie. To są ogromne urządzenia, duża technologia. Projektowanie tych kolejnych warstw i jakość wytwarzanych kryształów są bardzo istotne. Mamy wspaniałych kolegów, którzy są w stanie wytwarzać tego typu materiały, więc do naszego laboratorium przyjeżdża już taki kryształek półprzewodnika, który wygląda jak taka mała blaszka, kilka na kilka milimetrów.

 

K.G.: Lepiej nie zgubić. [śmiech]

 

B.P.: Tak, dobrze używać pęsety, żeby to przenosić i nie dotykać rękami. [śmiech] To jest właśnie praca z takimi półprzewodnikowymi kryształkami. Jeżeli chodzi o podstawowe półprzewodniki, to kryształ półprzewodnika musimy umieścić w niskiej temperaturze, czyli musimy za pomocą cieczy kriogenicznych, np. ciekłego helu czy ciekłego azotu, schłodzić do niskich temperatur takie specjalnie zaprojektowane urządzenia, od których możemy odpompować powietrze. A później świecimy na ten materiał laserem i analizujemy światło, które jest emitowane z tej warstwy. 

 

K.G.: Jeśli dobrze rozumiem, zdaje się, że to specyficzne światło, jakie emituje kondensat zrobiony z polarytonów, jest cenne, jeżeli chodzi o zastosowanie.

 

B.P.: Tak, światło, które jest emitowane, jest bardzo podobne w samych swoich własnościach do światła laserowego. Jest to światło spójne, o określonej długości fali, bardzo konkretnie określone, o bardzo konkretnym rozkładzie i intensywności w przekroju, o bardzo określonej fazie. Natomiast, jeżeli chodzi o zastosowania, szczególnie zainteresowało nas to, jak to światło się zmienia w momencie przejścia fazowego. Na początku mamy gaz polarytonów, czyli tych ubranych quasi-cząstek, tych bozonów, który jest niekoherentny i emituje takie byle jakie światło – o szerokim rozkładzie spektralnym, zupełnie nieskorelowane ze sobą. Akurat w naszych eksperymentach nie zmieniamy temperatury, tylko trzymamy układ w tej samej temperaturze, ale dokładamy tam więcej cząstek, czyli zmieniamy własności gęstości – i od pewnej krytycznej gęstości widzimy przejście do kondensatu Bosego-Einsteina. Wiąże się to z tym, że światło, które jest dalej emitowane, kompletnie zmienia swoje własności. Jest to bardzo nieliniowy moment, staje się to bardzo gwałtownie, to przejście jest spontaniczne, dzieje się samo z siebie. To znaczy, że światło, które analizujemy, ze światła o bardzo niskiej intensywności nagle staje się światłem, które jest bardzo podobne do światła laserowego, czyli o bardzo dobrze określonych parametrach. Okazuje się, że ten moment przejścia działa na bardzo niskiej mocy. Jesteśmy w stanie dołożyć tylko kilka fotonów po to, żeby mieć ogromne zmiany w intensywności emitowanego światła. Dla nas jest to bardzo nieliniowe przejście optyczne o niskim zużyciu energii. Bo jeżeli jesteśmy w stanie doprowadzić do tego przejścia tylko za pomocą kilku fotonów, to nie ma żadnego kryształu nieliniowego znanego w optyce, w którym jesteśmy w stanie to zrobić z taką gigantyczną wydajnością energetyczną. To jest ten moment, kiedy widzimy pierwsze zastosowanie. Bardzo nieliniowy układ optyczny, w którym jesteśmy w stanie sterować pojedynczymi fotonami. Teraz jest pytanie, gdzie to wykorzystać i co z tym zrobić. Powiedziałam wcześniej o materiałach półprzewodnikowych, które trzymamy w temperaturach ciekłego helu i ciekłego azotu, natomiast mamy też inne materiały, którymi jesteśmy w stanie pracować w temperaturze pokojowej. Najczęściej badamy materiały perowskitowe – to też są półprzewodniki, ale o bardzo silnych wzbudzeniach ekscytonowych. Dlatego z perowskitami we wnękach optycznych złożonych z warstw dielektrycznych jesteśmy w stanie obserwować kondensat Bosego-Einsteina w temperaturze pokojowej.

 

K.G.: Przejdźmy do zastosowań. Czy te właściwości mają mieć udział w neuomorficznych sieciach polarytonowych?

 

B.P.: Sieci neuromorficzne to takie systemy obliczeniowe, które są inspirowane biologiczną strukturą i funkcjonowaniem naszego mózgu. Wiemy, że nasz mózg składa się z neuronów, z synaps, jesteśmy w stanie to scharakteryzować, wiemy, na jakim poziomie są te sygnały elektryczne. Było pytanie, czy jesteśmy w stanie odtworzyć funkcjonalność takiego neuronu. Przede wszystkim w sztucznym świecie, np. w materiale półprzewodnikowym, i jeszcze w dodatku nie za pomocą elektronów, czyli nie za pomocą systemów elektronicznych, tylko za pomocą światła, za pomocą fotonów. To znaczy, takie sterowane fotony.

 

K.G.: Dlaczego? Dlatego, że elektronika dochodzi do pewnych czysto fizycznych granic. I rozumiem, że żeby przyspieszyć różne obliczenia, musimy wyjść z tej klasycznej elektroniki.

 

B.P.: Tak. Klasyczna elektronika ma tutaj wiele problemów – są te granice miniaturyzacji, kiedy nasze tranzystory stają się coraz mniejsze, efekty kwantowe stają się dominujące. Nie jesteśmy w stanie w tym momencie przeskoczyć mechaniki kwantowej. Stanowi ona limit naszej miniaturyzacji układów elektronicznych. Mamy też problemy w samej architekturze – typowa architektura von Neumanna, kiedy mamy oddzieloną pamięć od jednostki przetwarzającej dane, wydaje się, że jest ona bardzo mało efektywna. Jeżeli za pomocą jednego urządzenia bylibyśmy w stanie i pamiętać, i przetwarzać, to te systemy byłyby dużo szybsze. Mamy ogromne zużycie energii, wydzielanie ciepła przez tę miniaturyzację. Ciepło jest wydzielane z powodu gęstego upakowania, więc jest tutaj bardzo dużo problemów współczesnej elektroniki. Zaczynamy już poszukiwać nowych systemów, żeby jednak odejść od elektronów i zastanowić się, czy fotony też byłyby w stanie przetwarzać informacje. Nie tylko ją przekazywać, tak jak teraz mamy w światłowodach, kiedy komunikacja za ich pomocą jest bardzo szybka dlatego, że fotony propagują się z bardzo dużą prędkością praktycznie bez strat. To przesyłanie informacji za pomocą fotonów jest fantastyczne, natomiast przetwarzanie, czyli tam, gdzie jest potrzebna jakaś nieliniowa operacja, jest trudne. Żeby były jakieś nieliniowe przejścia, musimy mieć oddziałujące ze sobą fotony. 

 

K.G.: Czemu ta nieliniowość jest istotna? Zapisuje ona informacje?

 

B.P.: Nieliniowość jest nam potrzebna dlatego, że za jej pomocą jesteśmy w stanie bardzo łatwo odgraniczyć dwa zbiory danych. 

 

K.G.: Dlatego jest nam potrzebna ta nagłość.

 

B.P.: Tak. Bo operacja liniowa to jest np. taka linia prosta. Jeżeli mamy dwa zbiory danych, które są bardzo dobrze rozgraniczone, i jesteśmy w stanie przeprowadzić linię prostą, to jesteśmy w stanie je oddzielić. Ale jest bardzo mało zbiorów danych, w których te dane nie są między sobą wymieszane. Czyli np. jak będziemy mieć kulki białe i czarne, jedne będą po lewej, a drugie po prawej i postawimy linię prostą, to wspaniale oddzielimy dwa zbiory danych. Ale jeżeli zaczynają się one przenikać, to musimy postawić jakąś specjalną krzywą, przeprowadzić każdą białą kulkę, oddzielić od czarnej i wtedy mamy dwa odseparowane zbiory danych. Krzywa to nasza operacja nieliniowa. Chciałam pokazać tę kluczowość nieliniowych operacji, żeby oddzielić od siebie informacje. I to jest właśnie to przetwarzanie danych. Elektronika robi to w fantastyczny sposób, dlatego, że diody, tranzystory to są elementy bardzo nieliniowe. Drobna zmiana napięcia powoduje gigantyczne zmiany prądu i mamy fantastyczne, nieliniowe elementy. Elektrony bardzo mocno ze sobą oddziałują i potrafimy robić takie funkcje nieliniowe.

 

K.G.: Nieliniowość w tym układzie mogłaby nam w takim razie przekazywać takie informacje, które dobrze znamy ze świata elektroniki, czyli zero i jeden? Załóżmy, że stan wcześniejszy, nad tą linią graniczną to będzie zero, a pod nią to będzie jeden, i w ten sposób możemy sobie to programować?

 

B.P.: Tak. Musimy jakoś oddzielić zera od jedynek, oddzielić różne zbiory danych. To jest dużo bardziej efektywne za pomocą dowolnej operacji nieliniowej niż za pomocą funkcji liniowych.

 

K.G.: I w kontekście tych wyzwań, przed jakimi stoi współczesna elektronika, tego, że potrzebuje bardzo dużo energii, że się grzeje, że jak się miniaturyzuje, to zaczynają dominować efekty kwantowe, wobec których elektronika nie była projektowana – to, o czym mówiła pani wcześniej, jeśli chodzi o kondensat polarytonowy i to, że możemy przechodzić nieliniowo z jednego stanu do drugiego, sterując fotonami… Mówiła też pani, że jest to bardzo wydajne energetycznie. To jest ta kluczowa rzecz, która może nam pomóc przejść z tej elektroniki na fotonikę? Tak się mówi?

 

B.P.: Tak. Te oddziaływania pomiędzy fotonami, które wprowadzamy, ubierając fotony w ekscytony, powodują, że dostajemy te piękne operacje nieliniowe w samej fotonice. Pozwoli nam to na zrobienie takiego mapowania – trochę emitujemy te systemy elektroniczne, żeby te same operacje móc wykonywać na fotonach, ale dużo szybciej, z dużo większą wydajnością energetyczną. Czyli dużo mniej energii zużywamy na pojedynczą operację.

 

K.G.: Dla mnie brzmi to świetnie. Jak wam idzie? 

 

B.P.: Na razie byliśmy w stanie pokazać, że pojedynczy kondensat Bosego-Einsteina polarytonów ekscytonowych może zachowywać się jak taki pojedynczy neuron wysyłający impulsy. Jest on w stanie akumulować impulsy, czyli dodawać. W momencie, kiedy te impulsy są odpowiednio zakumulowane, przejdzie on do jakiegoś progu, to wysyła kolejny impuls. Jest to nasz pierwszy krok w stronę takiego imitowania spike’ów, które zachodzą w naszym mózgu. Stąd właśnie te systemy neuromorficzne. Jest to idealne odwzorowanie jeden do jednego. Natomiast same sieci neuromorficzne, czyli ta cała teoria uczenia maszynowego, algorytmy, które prowadzą później do sztucznych inteligencji, działają trochę inaczej, bo mamy całą sieć węzłów, które się ze sobą komunikują, natomiast każdy węzeł jest elementem nieliniowym. Więc dla nas takie mapowanie tych algorytmów z uczenia maszynowego, zaimplementowanie w rzeczywistym systemie fotonicznym to by było to, że każdy węzeł w sieci jest pojedynczym kondensatem Bosego-Einsteina polarytonów. Mogą one się ze sobą komunikować za pomocą fotonów, więc to już jest element tworzenia coraz większej sieci. W tej chwili jesteśmy na etapie wytworzenia czterech neuronów, które się ze sobą komunikują, ale cała reszta procesów jest jeszcze ciągle w komputerze. Resztę musimy zaimplementować tymi technikami uczenia maszynowego, natomiast już na naszych rzeczywistych sygnałach. Bierzemy sygnały emitowane z kondensatu Bosego-Einsteina i sprawdzamy, czy rzeczywiście charakterystyka tego sygnału, czyli charakter funkcji nieliniowej, jest wystarczający, aby zrobić odpowiednie zadania z uczenia maszynowego. Na razie sprawdzamy to na takich podstawowych testach, na których wszyscy sprawdzają swoje systemy, np. rozpoznawanie wzorców – jakichś cyfr pisanych odręcznie, są też jakieś mówione bazy danych.

 

K.G.: Albo czy chihuahua, czy muffinka. [śmiech] Nie wiem, czy pani pamięta, jak kilka lat temu sztuczna inteligencja się myliła i zdarzało jej się pomylić muffinkę z chihuahuą.

 

B.P.: Tak, jesteśmy mniej więcej na takim etapie. [śmiech]

 

K.G.: Wiem, że to jest takie oczekiwanie publiczności, bo mówi pani o tym, że macie cztery neurony – co już jest imponujące – ale idąc do przodu, myśli pani, że faktycznie można by stworzyć taką sieć neuromorficzną, czyli wzorowaną na mózgach, opartą właśnie o kondensaty polarytonowe, już poza elektroniką? Że możemy pójść w zupełnie inną stronę i mieć te sieci neuronowe, sztuczną inteligencję – nazywając to w uproszczeniu – szybszą, nie wiem, czy tańszą, ale wydajniejszą, efektywniejszą?

B.P.: Tak, zdecydowanie. Jest cały ogromny dział fotoniki, który nad tym pracuje. Skupiamy się tutaj na polarytonach, ale ludzie pracują na czystych fotonach w różnych układach, w układach fotonicznych. Oczywiście nie jesteśmy odizolowani od całego naukowego świata, zdecydowanie podążamy za tymi trendami. Bardzo dużo ludzi pracuje nad tym, żeby można było robić całą analizę danych, czyli zbudować takie systemy neuromorficzne na fotonach oddziałujących z materiałem, ale w różnych geometriach, różnych wzorcach. To jest taka fizyka, która się w tej chwili tworzy, bardzo dużo ludzi nad tym pracuje.

K.G.: Jest to gorący temat?

 

B.P.: Bardzo. Zdecydowanie bardzo gorący i bardzo ciekawy temat. I poszukiwanie nowych materiałów, bo to idzie dwutorowo. Musimy zarówno znaleźć dobre materiały, umieć je wytwarzać, jak i poszukać odpowiednich algorytmów, które będą stosowane. Bo wcale nie jest takie jednoznaczne, że idealne odwzorowanie tego, co jest w tej chwili, na takich zwykłych komputerach czy w systemach elektronicznych, będzie idealnie pasowało do fotonów. Może trzeba będzie rozwinąć ten temat. Czyli eksperyment, technologia, teoria, modelowanie – tutaj wszystko idzie w parze i teraz na arenie światowej jest ogromne bogactwo w tych poszukiwaniach.

 

K.G.: A ośmieliłaby się pani zaryzykować jakąś perspektywę czasową, kiedy moglibyśmy mieć taką pierwszą poważną neuromorficzną sieć polarytonową?

 

B.P.: Naprawdę ciężko powiedzieć. Pewnie nie uda nam się uciec od części optoelektronicznej. Na pewno gdzieś będzie ta konwersja z fotonów z powrotem na elektronikę, bo jednak nasz świat jest całkiem elektroniczny, więc ta konwersja nastąpi. Ale wydaje mi się, że musimy zbudować ten system krok po kroku, od tych czterech neuronów do całych procesów. Na pewno jest nam potrzebne kolejne dziesięć lat, żeby to rozwinąć.

 

K.G.: A kwestia surowca? Mówiła pani o tym, że potrzebne są przede wszystkim te bardzo dobrej jakości kryształy. Jak sobie myślę o tym globalnie, że np. udałoby się te technologie rozwinąć do tego stopnia, że duże firmy operowałyby na takich kondensatach, to mamy kwestię tego, skąd będą brane te kryształy. Zastanawiam się, czy jakoś nie utkniemy, czy nie zabraknie tego rodzaju surowca. Jak to może wyglądać?

 

B.P.: W tej chwili nie wyobrażam sobie, że mogłoby nam czegoś zabraknąć. Jest pytanie, czy będziemy w stanie wytworzyć to w dobrej jakości, w ogromnej skali. W tej chwili te technologie półprzewodnikowe, krzemowe, czyli to, na czym jest zbudowana współczesna elektronika, to jest technologia, która jest szeroko rozwinięta już od dłuższego czasu, mamy wiele lat doświadczeń w ogromnych firmach. My jesteśmy na etapie poszukiwania odpowiednich materiałów i ciągle w tym systemie laboratoryjnym, więc nie wiemy, jakie trudności napotkamy w przyszłości. Na pewno w momencie, kiedy firmy zaczynają się interesować takimi rozwiązaniami, ta nauka znacznie przyspiesza, bo jest to też kwestia funduszy. Liczba osób, która się tym zajmuje, samo zainteresowanie czy rozmowy i ciśnienie w tym temacie powodują znaczne przyspieszenie samych odkryć i technologii.

 

K.G.: Mam też takie wrażenie, że jest pani w bardzo fajnym miejscu dla naukowca, czyli z jednej strony są te badania podstawowe, ale jesteście też o krok od wdrożeniowych. Jest to chyba ekscytujące.

 

B.P.: Tak, znaleźliśmy się na pograniczu. Powiem szczerze, że bardzo nam się to spodobało dlatego, że możemy uczyć o takich fundamentalnych zjawiskach, możemy o tym opowiadać, możemy uczyć dzieci w szkole. W tym momencie możemy powiedzieć: ale wiecie, bo to może w przyszłości naprawdę będzie miało zastosowania. I mamy pomysł, co konkretnie chcemy powiedzieć – że nie tylko emituje to fajne światełko, ale może jeszcze do czegoś kiedyś będzie przydatne. A to, że akurat teraz te systemy neuromorficzne czy te algorytmy uczenia maszynowego tak się rozwinęły, przytrafiło się trochę przy okazji. I to jest właśnie niesamowite, bo zajęliśmy się tym tematem jakiś czas temu, jeszcze zanim wyszły wszystkie chaty GPT i cała sztuczna inteligencja nas zalała, i zaczęła nam zadawać pytania, co z nią zrobimy. Dla nas było to ogromne zaskoczenie. Więc widać, że jest to trochę znak czasów, że bardzo często duże odkrycia idą z jakimś takim trendem i pojawiają się w bardzo podobnym czasie. Tak jak np. to, że kondensat Bosego-Einsteina atomów siedemdziesiąt lat po odkryciu teoretycznym został zaobserwowany w odległości czterech miesięcy w dwóch laboratoriach na świecie – to też jest niesamowite. Tak że po prostu technologia, zrozumienie, rozwój – jakoś to idzie, dojrzewa i później okazuje się, że w kilku miejscach robi się to na takim zaawansowanym poziomie, że znowu jesteśmy w stanie przejść kolejny próg naszego rozwoju.

 

K.G.: Co dalej w zespole? Co państwo planują?

 

B.P.: Dalej będziemy na pograniczu tej fizyki podstawowej i fizyki czysto akademickiej, będziemy opisywać i badać. I będziemy się starali skalować nasz system, budować coraz więcej, rozumieć coraz więcej, pokazywać, co jest możliwe, a co nie w naszym zrozumieniu. Będąc ciągle w laboratorium na uniwersytecie, wiemy, jakie są fundamentalne ograniczenia tych algorytmów uczenia maszynowego, więc sprawdzenie ich w przyszłości też jest dla nas bardzo interesujące – gdzie jest ta kolejna granica, przez którą znowu będziemy musieli przeskoczyć z jakimś nowym fundamentalnym odkryciem. To są granice Wszechświata, które chcemy sobie w tym naszym malutkim zakątku badać.

 

K.G.: Trzymam kciuki za cały zespół. Pani profesor Barbara Piętka z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego znalazła dla nas czas. Dziękuję serdecznie.

 

B.P.: Ślicznie dziękuję.