Fizicienii cuantici marchează un secol de control asupra spinului
Un concept din mecanica cuantică, spinul este o proprietate a particulelor care nu are un corespondent direct în experiența cotidiană. Începând cu primele decenii ale secolului XX, cercetătorii au învățat să îl manipuleze deliberat prin impulsuri electromagnetice modelate cu precizie. Acest efort a dus la două tehnologii larg răspândite astăzi: imagistica prin rezonanță magnetică (IRM), prezentă în mod obișnuit în spitale, și spectroscopia prin rezonanță magnetică nucleară (RMN), folosită pentru determinarea structurii proteinelor și pentru dezvoltarea de noi medicamente.
Cadrul matematic al teoriei controlului optimal poate fi utilizat pentru a îmbunătăți aceste tehnologii. „Întrebarea la care răspunde este una practică”, explică Christiane Koch, profesoară de fizică teoretică la Universitatea Liberă din Berlin. „Având un sistem cuantic și câmpurile pe care le pot aplica asupra lui, cum ajung la starea dorită cât mai rapid, mai fiabil și mai precis posibil — și cât de bine se poate face acest lucru, în principiu?”
Câștigurile sunt considerabile: impulsurile proiectate în acest mod inversează spinii nucleari de aproximativ zece ori mai rapid decât impulsurile convenționale folosite anterior, iar în imagistica prin rezonanță magnetică fac posibilă încorporarea directă a constrângerilor unui scanner real în proiectarea experimentului. Studiul este publicat în revista Science Advances.
De la spinii nucleari la molecule și atomi
Articolul de sinteză arată că aceleași metode depășesc acum cu mult domeniul rezonanței magnetice; chiar și moleculele pot fi controlate cu precizie prin impulsuri electromagnetice adaptate. Acest lucru este deosebit de interesant în cazul moleculelor chirale, care apar în forme stânga și dreapta și pot diferi semnificativ în efectul lor biologic. Secvențe adaptate de impulsuri de microunde pot transfera una dintre cele două forme într-o stare cuantică selectată, lăsând-o pe cealaltă neafectată — o condiție prealabilă pentru separarea lor.
Metode înrudite au fost folosite pentru a ghida atomi individuali printr-o gamă largă de stări posibile. De exemplu, metodele din controlul optimal ar putea fi utilizate pentru a îmbunătăți semnificativ pregătirea anumitor stări atomice în experimente, iar a fost posibilă și obținerea superpoziției non-clasice, o stare cuantică în care atomul ocupă simultan mai multe configurații foarte diferite. Nu existase anterior niciun protocol pentru acest scop. „Îmbunătățirea unui protocol care funcționează deja este utilă”, spune Koch. „Cazul mai interesant este o stare pe care nimeni nu reușise să o pregătească înainte.”
Control optimal și învățare automată — o combinație perfectă?
Cercetătorii semnalează și limitele acestei abordări: controlul optimal necesită un model precis al sistemului cuantic respectiv și un experiment bine calibrat. Privind în perspectivă, autorii consideră combinația dintre controlul optimal și învățarea automată drept cea mai promițătoare direcție. În timp ce metodele de control folosesc modele fizice precise și convergență rapidă, învățarea automată poate deduce descrieri compacte din date experimentale. Totuși, în fizica cuantică sunt disponibile mult mai puține date. „Măsurătorile cuantice sunt rare și costisitoare”, spune Koch. „Fizica cuantică nu înseamnă date masive. De aceea cele două abordări trebuie combinate, nu înlocuite una pe cealaltă.”
Articolul de sinteză a fost elaborat în cooperare cu cercetători de la Universitatea Tehnică din München, Universitatea Aarhus, Université de Bourgogne și Universitatea din Dortmund. El a apărut într-o ediție specială a Science Advances dedicată următorilor 100 de ani ai spinului.
