Prvi kvantni stroj – mehanička naprava koja djeluje u kvantnom carstvu predstavlja vrh postignuća, ako je suditi prema pregledu dostignuća u 2010. iz pera znanstvene publikacije.
Niz naprava koje je ljudska ruka oblikovala dosad već, u skladu sa zakonima klasične mehanike, dosegle viši stupanj. U ožujku ove godine, skupina je istraživača osmislila napravu koja se kreće na načine koje bi se moglo opisati isključivo s pomoću kvantne mehanike – niza zakonitosti kojima se služimo u određivanju karakteristika sitnih stvari poput molekula, atoma i subatomskih čestica. U znak priznanja za konceptualno postignuće uvjetovano njihovim eksperimentom, svu domišljatost koja stoji iza projekta kao i njegove brojne potencijalne primjene časopis Science nazvao je najvažnijim znanstvenim otkrićem 2010.
Fizičari su Andrew Cleland i John Martinis s University of California u Santa Barbari zajedno sa suradnicima osmislili napravu — sićušnu metalnu lopaticu poluvodiča, vidljivu golim okom — te je `naveli` na partnerstvo s kvantnim žlijebom. Isprva su lopaticu ohladili dok ne postigne svoje “osnovno stanje” odnosno najniže energetsko stanje koje zakoni kvantne mehanike dopuštaju (dugo priželjkivani cilj fizičara) da bi zatim podigli energiju naprave za jedan kvant ne bi li dosegli sasvim kvantno-mehaničko gibanje. Čak su uspjeli dovesti napravu u oba stanja istovremeno, tako da je u isto vrijeme doslovno vibrirala i mnogo i malo — bizarna pojava ostvarena s pomoću čudnih pravila kvantne mehanike.
Časopis Science i njezin izdavač, AAAS, neprofitno znanstveno društvo prepoznali su ovaj prvi kvantni stroj kao znanstveno postignuće 2010 godine. Između ostaloga u popis deset najboljih uvrstili su i devet drugih važnih znanstvenih dostignuća ostvarenih tijekom godine, zastupljenih u posebnoj znanstvenoj rubrici u izdanju časopisa od 17. prosinca. Osim toga, skupina je novinara časopisa Science zajedno sa svojim urednicima odabrala 10 najznačajnijih “Promišljaja desetljeća” koji su promijenili krajobraz znanosti 21. stoljeća.
“Ovogodišnji `Doseg godine` prvi je pothvat takve vrste u okviru kojega su znanstvenici demonstrirali kvantno djelovanje na primjeru pokretljivosti predmeta načinjenog ljudskom rukom”, ustvrdio je Adrian Cho, jedan od autora časopisa Science. “Na konceptualnoj razini to je upravo izvanredno, iz razloga što se kvantna mehanika proteže na jedno sasvim novo područje. Na praktičnoj razini, to otvara niz mogućnosti u rasponu od novih eksperimenata koji osiguravaju kvantnu kontrolu nad svjetlosti, električnom strujom i pokretljivošću, do možda jednog dana, ispitivanja granica kvantne mehanike i našeg osjećaj za realnost.”
Kvantni stroj upravo dokazuje da je principe kvantne mehanike moguće primijeniti na gibanju makroskopskih objekata, baš kao i atomskih i subatomskih čestica. On osigurava ključan prvi korak prema uspostavi potpune kontrole nad vibracijama pojedinog objekta na kvantnoj razini. Takva kontrola nad kretanjem upogonjene naprave trebala bi omogućiti znanstvenicima manipuliranje tim sićušnim pokretima, baš kao što trenutno kontroliraju električnu struju i čestice svjetlosti. S druge strane, navedena sposobnost mogla bi u konačnici rezultirati kontrolom koju su novi uređaji uspostavili nad kvantnim stanjima svjetlosti, ultra-osjetljivim detektorima sile i, u konačnici, propitivanjima granica kvantne mehanike i našega osjećaja za realnost. (Ovaj potonji cilj mogao bi se postići na način da pokušamo dovesti makroskopski objekt u stanje u kojemu bi se ono istovremeno nalazilo na dva neznatno različita mjesta — eksperiment koji bi mogao pojasniti zašto nešto tako veliko poput čovjeka ne bi moglo biti prisutno na dva mjesta istovremeno.)
“Da se podsjetimo, fizičari još nisu uspjeli osigurati “prisutnost jednoga tako sićušnog objekta, poput ovoga, na dva mjesta istovremeno,” govori Cho. “No zato su dostigli najjednostavnije stanje kvantnog pokreta, stoga se čitava stvar čini kudikamo plauzibilna, puno prije nosi predznak `kada` nego `ako`.” Slijedi popis devet drugih revolucionarni postignuća za 2010. godinu časopisa Science.
Sintetička biologija: U odlučujućem trenutku za biologiju i biotehnologiju, istraživači su sastavili sintetički genom i iskoristili ga za transformaciju identiteta bakterija. Genom je zamijenio DNK bakterije, koja odsad proizvodi novi niz proteina — postignuće koje je polučilo saslušanje u američkom Kongresu na temu sintetske biologije. U budućnosti, znanstvenici predviđaju sintetičke genome prilagođene generiranju biogoriva, farmaceutskim ili drugim korisnim kemikalijama.
Neandertalski genom: Znanstvenici su sekvencirali genom neandertalca iz kostiju tri ženska neandertalaca koja su živjela u Hrvatska po prilici prije 38.000 – 44.000 godina. Nove metode sekvenciranja s ciljem degradacije fragmenata DNK omogućile su znanstvenicima uspostaviti prvu izravnu usporedbu suvremenog ljudskog genoma i onoga naših neandertalskih predaka.
HIV Profilaksa: Dva testiranja različitih, novih strategija prevencije HIV-a polučila su nedvojben uspjeh: vaginalni gel koji sadrži anti-HIV lijek tenofovir reducirao je infekciju HIV-om u žena za 39%, dok je oralna predekspozicija profilaksi rezultirala 43,8% nižom infekcijom HIV-a kod muškaraca i transrodnih žena koje održavaju seksualne odnose s muškarcima.
Sekvenciranje egzoma/Rijetki geni, nosioci oboljenja: sekvenciranjem isključivo egzona genoma, odnosno sićušnih dijelova koji zapravo odrađuju kodiranje proteina, znanstvenici koji proučavaju rijetke nasljedne bolesti uzrokovane jednim, manjkavim genom uspjeli su identificirati specifične mutacije odgovorne za barem desetak bolesti.
Simulacije molekularne dinamike: Simuliranje giracija koje proteini čine prilikom preklapanja predstavlja kombinatornu noćnu moru. Istraživači su ovoga puta upregnuli snagu jednog od najmoćnijih svjetskih računala kako bi pratili gibanje atoma u malom, preklapajućem proteinu u trajanju 100 puta duljem no dosad.
Kvantni Simulator: Kako bi pojasnili ono što su vidjeli u laboratoriju, fizičari su izmislili teorije temeljene na vraški teško rješivim jednadžbama. Međutim, ove su godine, osmislivši kvantne simulatore uspjeli pronaći prečac — umjetne kristale u kojima djelići laserske svjetlosti imaju ulogu iona odnosno atoma zarobljenih u svjetlu — elektrona. Uređaj osigurava trenutan odgovor na teorijski problem u fizici kondenzirane materije te bi kao takav najvjerojatnije mogao pomoći u rješavanju misterija kao što je supravodljivost.
Genomika najnovije generacije: tehnologija bržeg i jeftinijeg sekvenciranja omogućuje provedbu vrlo opsežnih istraživanja kako drevne tako i suvremene DNK. 1,000 Genomes Project, primjerice, dosad je već uspio identificirati niz varijacija genoma koje nas čine jedinstveno ljudskom vrstom — kao i niz drugih projekata, trenutno u razvojnoj fazi koji bi nam trebali pojasniti mnogo toga po pitanju funkcije genoma.
Reprogramiranje RNK: Stanice sklone reprogramiranju — koje su `okrenule leđa` vlastitom biološkom satu kako bi se ponašale poput nespecifičnih “matičnih stanica” zametka — prerasle su u standardnu laboratorijsku tehniku proučavanja bolesti i razvoja. Ove godine, istraživači su pronašli način kako to ostvariti s pomoću sintetičke RNK. U usporedbi s dosadašnjim metodama, nova tehnika dvaput je brža, 100 puta učinkovitija i potencijalno sigurnija u terapijske svrhe.
Povratak Štakora: Miševi vladaju svijetom laboratorijskih životinja, no u mnogim slučajevima znanstvenici se radije opredjeljuju za štakore. Sa štakorima je lakše raditi, a osim toga, anatomski su sličniji ljudima; njihov su veliki nedostatak metode korištene za “knockout miševa” — životinja prilagođenih istraživanju, obzirom imaju specifične onesposobljene gene – koje na štakorima jednostavno ne funkcioniraju. Niz istraživanja provedenih tijekom godine, ipak, obećava stvaranje “knockout laboratorijskih štakora” u velikom stilu.
Konačno, kako bi proslavili kraj tekućeg desetljeća, novinari i urednici časopisa Science udaljili su se neznatno od vlastitog tjednog izvještavanja kako bi osmislili proširen pregled 10 znanstvenih spoznaja koje su promijenile lice znanosti od početka novog tisućljeća. Slijedi popis 10 “Promišljaja desetljeća”.
Tajni genom: Geni su dosad uglavnom pobirali svu slavu. Znanstvenici, međutim, priznaju da na područja genoma zadužena za kodiranje proteina otpada tek 1,5% cjeline. Ostatak genoma, uključujući i male kodirajuće i nekodirajuće RNK — otpisane dosad u “škart” — smatra se podjednako važnima poput gena.
Precizna kozmologija: Tijekom prošlog desetljeća, istraživači su ustanovili vrlo precizan recept za sadržaj svemira, koji se sastoji od obične materije, tamne materije i tamne energije; baš kao i upute za njegovo spravljanje. Ti pomaci pretvorili su kozmologiju u preciznu znanost sa standardnom teorijom koja više ne ostavlja mnogo manevarskog prostora drugim idejama.
Drevne biomolekule: Spoznaja da “biomolekule” poput drevne DNK i kolagena mogu preživjeti desetke tisuća godina i osigurati važne informacije o dugo vremena neživim biljkama, životinjama i ljudima donijela je sa sobom pravu blagodat paleontologiji. Analiza tih sićušnih vremenskih strojeva govori nam o anatomskim adaptacijama koje skeletni dokazi jednostavno ne mogu pružiti, kao što su boja dinosaurova perja ili kako su dlakavi mamuti izdržali hladnoću.
Voda na Marsu: polovica misija na Mars u posljednjem desetljeću osigurala je jasne dokaze da je Crveni planet nekad sadržavao dovoljno vode — bilo to na vlastitoj površini odnosno u svojoj unutrašnjosti — odgovorne za promijenjen izgled stijena, a moguće i održanje života. Marsovska vode vjerojatno je bila prisutan u vrijeme bujanja života na Zemlji, no na Marsu ima još uvijek dovoljno vlage da pokrene znanstvenike u potragu za živim, dišućim mikrobima.
Reprogramiranje stanica: Tijekom protekla desetljeća, razmišljanja nalik onome da istraživanja uglavnom čine rupu bez dna sasvim su pobijena. Znanstvenici su otkrili kako “reprogramirati” potpuno razvijene stanice u tzv. pluripotentne stanice koje neprestano iznova osiguravaju vlastiti potencijal kako bi prerasle u bilo koji tip stanice u tijelu. Ova tehnika dosad je već korištena u formiranju staničnih nizova kod pacijenata s rijetkim bolestima, no u konačnici, znanstvenici se nadaju da će uspjeti formirati genetski podudarne zamjenske stanice, tkiva i organe.
Mikrobiom: veliki pomak u načinu poimanja mikroba i virusa nerijetko udomaćenih u ljudskom tijelu odveo je znanstvenike u smjeru ostvarivanja koncepta mikrobioma — odnosno kolektivnog genoma domaćina i ostalih bića koja obitavaju na njemu ili unutar njega. Obzirom su 90% stanica u našim tijelima zapravo mikroorganizmi, znanstvenici počinju razumijevati kako mikrobni geni mogu utjecati na količinu energije koju apsorbiramo iz naše hrane i kako naš imunosni sustav reagira na infekcije.
Egzoplaneti: 2000. godine znanstvenici su znali za tek 26 planeta izvan Sunčevog sustava. Do 2010, taj broj je skočio na 502 i još uvijek nije konačan. Pored najsuvremenijih tehnologija, astronomi se nadaju otkriti izobilje planeta u svemiru, oblikom nalik Zemlji. No zasad, veličina i orbite većih, dosad otkrivenih planeta svakako su pomogla u snažnom razumijevanju znanstvenika o formiranju i razvoju planetarnih sustava.
Upala: Ne tako davno, upala je bila poznata kao jednostavna popratna pojava našega zdravstvenog sustava, koja je ukratko pomagala imunosnim stanicama u krpanju tkiva oštećenog uslijed traume odnosno infekcije. Danas, međutim, znanstvenici vjeruju da upala, između ostaloga, predstavlja pokretačku silu niza kroničnih bolesti poput karcinoma, Alzheimerove bolesti, ateroskleroze, dijabetesa i pretilosti koje će nas naposljetku gotovo sve koštati života.
Metamaterijali: sintetiziranjem materijala nekonvencionalnih i podesivih optičkih svojstava, fizičari i inženjeri razvili su nove načine rukovanja i manipuliranja svjetlom, osmišljavajući leće koje prkose temeljnim ograničenjima rezolucije. Čak su krenuli s gradnjom “ogrtača” koji pojedine predmete mogu učiniti nevidljivim.
Klimatske promjene: Tijekom prošlog desetljeća, znanstvenici su učvrstio neke temeljne činjenice o globalnim klimatskim promjenama: svijet se zagrijava, ljudi su odgovorni za zagrijavanje, a prirodni procesi na Zemlji vjerojatno neće usporiti to zagrijavanje. No, u idućih 10 godina od vitalnog je značaja način na koji će znanstvenici i političari iskoristiti prikupljene informacije.
Izvor: American Association for the Advancement of Science
