Μια επαναστατική μελέτη από το Πανεπιστήμιο του Ίνσμπρουκ ανατρέπει σημαντικά όσα γνωρίζαμε έως σήμερα για τη φυσική και φέρνει στο προσκήνιο νέες προοπτικές για τους κβαντικούς υπολογιστές. Η έρευνα αυτή αναδεικνύει πώς ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να διατηρεί τη σταθερότητά του εν μέσω ενέργειας, προσδιορίζοντας έτσι μια νέα εποχή στην τεχνολογία.
Στην καθημερινότητά μας, παρατηρούμε τους νόμους της φυσικής να είναι σχεδόν αδιάσειστοι: όταν τρίβουμε τα χέρια μας, θερμαίνονται· όταν χτυπούμε ένα μέταλλο, αυτό ζεσταίνεται. Αυτή η απλή αρχή, την οποία κατανοούμε από τα παιδικά μας χρόνια, υποδεικνύει ότι η επανάληψη μιας δύναμης συχνά οδηγεί σε «διέγερση» και τελικά σε θέρμανση των συστημάτων.
Ωστόσο, στο μυστήριο του μικρόκοσμου της κβαντομηχανικής, οι προηγούμενοι κανόνες φαίνεται να μην ισχύουν απόλυτα. Μια εντυπωσιακή έρευνα από το Τμήμα Πειραματικής Φυσικής του Πανεπιστημίου του Ίνσμπρουκ αποκάλυψε ότι, εκθέτοντας ένα σύστημα σωματιδίων σε ενέργεια, αυτό δεν θερμαίνεται, αλλά αντιθέτως «παγώνει» σε μια κατάσταση τέλειας τάξης.
Πείραμα που Κατέστησε Δυνατό το Αδύνατο
Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μονοδιάστατο «κβαντικό ρευστό», που αποτελείτο από άτομα ψυχθέντα σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν, δηλαδή σε μόλις μερικά νανο-κέλβιν. Χρησιμοποιώντας ακτίνες λέιζερ, σχημάτισαν ένα παλλόμενο πλέγμα που «κλωτσούσε» τα άτομα επαναλαμβανόμενα.
Η κλασική διαίσθηση, καθώς και οι προηγούμενες υποθέσεις για τα κβαντικά συστήματα, θα μας οδηγούσαν στο συμπέρασμα ότι τα άτομα θα έπρεπε να απορροφούν ενέργεια και να κινούνται ασταθώς. Σκεφτείτε το όπως ένα παιδί σε ένα τραμπολίνο: η συνεχής ώθηση θα έπρεπε να το κάνει να αναπηδά όλο και πιο ψηλά και άτακτα.
«Αρχικά περιμέναμε ότι τα άτομα θα άρχιζαν να πετούν προς κάθε κατεύθυνση», επισημαίνει ο Yanliang Guo, επικεφαλής της μελέτης. «Αντίθετα, συμπεριφέρθηκαν με εκπληκτική οργάνωση».
Φαινόμενο MBDL
Η παρατήρηση αυτή έλαβε το όνομα «Δυναμικός Εντοπισμός Πολλών Σωμάτων» (Many-Body Dynamical Localization – MBDL). Μετά από μια αρχική φάση, η κατανομή της ορμής των ατόμων σταμάτησε να εξαπλώνεται. Το σύστημα σταμάτησε να απορροφά ενέργεια και η κινητική του κατάσταση παρέμεινε σταθερή, σαν να είχε παγώσει στον χρόνο.
Ο μηχανισμός πίσω από αυτή την παράδοξη κατάσταση είναι η κβαντική συνοχή. Όπως εξηγεί ο καθηγητής Nägerl, η κβαντική διεμπλοκή και η συνοχή λειτούργησαν ως ασπίδα, αποτρέποντας το σύστημα από το να φτάσει σε θερμική ισορροπία. Αντί να διαχυθεί η ενέργεια και να προκληθεί αυθόρμητη κίνηση, το σύστημα «κλειδώθηκε» σε μια συγκεκριμένη δομή.
Για να επιβεβαιώσουν ότι η κβαντική συνοχή ήταν το «κλειδί», οι ερευνητές προσέθεσαν τυχαίες διαταραχές στον ρυθμό των λέιζερ. Το αποτέλεσμα ήταν άμεσο: μόλις διαταράχθηκε η συνοχή, το φαινόμενο αυτό εξανεμίστηκε, και τα άτομα άρχισαν να απορροφούν ενέργεια όπως θα περίμενε κανείς.
Σημασία της Ανακάλυψης για το Μέλλον
Η ανακάλυψη δεν είναι απλά μια θεωρητική περιέργεια, αλλά έχει τεράστιες πρακτικές σημασίες για την τεχνολογία του μέλλοντος, συγκεκριμένα για τους κβαντικούς υπολογιστές.
Ένα από τα μεγαλύτερα εμπόδια στην ανάπτυξη σταθερών κβαντικών συστημάτων είναι η ανεπιθύμητη θέρμανση και η απώλεια πληροφοριών. Οι κβαντικοί επεξεργαστές είναι εξαιρετικά ευαίσθητοι και η εισροή ενέργειας μπορεί να καταστρέψει την κβαντική κατάσταση που επιδιώκουμε.
«Αυτό το πείραμα μας παρέχει μια ακριβή μέθοδο για να εξερευνήσουμε πώς τα κβαντικά συστήματα μπορούν να αντισταθούν στο χάος», επισημαίνει ο Guo. Η ικανότητα διατήρησης ενός συστήματος σε χαμηλή θερμοκρασία και σταθερότητα υπό συνεχή διέγερση μπορεί να καταστεί θεμέλιο για τακμένες κβαντικές μνήμες και προσομοιωτές.
Ο συνεργάτης της έρευνας από το Πανεπιστήμιο Zhejiang της Κίνας, Lei Ying, αναγνωρίζει ότι τέτοια φαινόμενα είναι δύσκολο να προσομοιωθούν σε κλασικούς υπολογιστές, καθιστώντας αναγκαία τα εργαστηριακά πειράματα. «Αυτό αποκαλύπτει μια εντυπωσιακή σταθερότητα που έχει τις ρίζες της στην ίδια την κβαντομηχανική», παρατηρεί χαρακτηριστικά.
Η κατανόηση της αντίστασης της ύλης στη θέρμανση σε κβαντικό επίπεδο μπορεί να είναι το προσεχές βήμα για την εξημέρωση του μικρόκοσμου προς όφελος των εφαρμογών μας.
