Φυσικοί από την Αυστρία και την Ιαπωνία ανακάλυψαν έναν τρόπο να μετατρέψουν κάτι που παραδοσιακά θεωρείται πρόβλημα στην κβαντική φυσική σε χρήσιμη τεχνολογία — ανοίγοντας πόρτες για μελλοντικές εφαρμογές σε ιατρική, πλοήγηση και κβαντικές επικοινωνίες.
Το ζήτημα αφορά το φαινόμενο που λέγεται superradiance — μια συμπεριφορά στην κβαντική μηχανική όπου μια ομάδα σωματιδίων συνεργάζεται και εκπέμπει πολύ ισχυρότερη ενέργεια απ’ ό,τι θα έκανε καθένα ξεχωριστά. Μέχρι σήμερα αυτό θεωρούνταν πρόκληση γιατί μπορεί να αποσταθεροποιήσει συστήματα, ειδικά σε κβαντικές συσκευές και πειράματα.
Οι ερευνητές, όμως, έκαναν κάτι ενδιαφέρον: εκμεταλλεύτηκαν αυτή την “έντονη” συμπεριφορά ώστε να παράγουν καθαρά και ισχυρά μικροκυματικά σήματα που διαρκούν για μεγάλο χρονικό διάστημα — κάτι που μέχρι τώρα φάνταζε δύσκολο λόγω του χάους που δημιουργούσαν οι αλληλεπιδράσεις των σωματιδίων.
Τι ακριβώς έκαναν οι επιστήμονες
“Παγίδευσαν” μικροσκοπικά σφάλματα/ατέλειες μέσα σε μικρές κοιλότητες μικροκυμάτων που περιείχαν ηλεκτρονικές σπιν καταστάσεις.
Αυτές οι καταστάσεις δούλεψαν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.
Οταν το σύστημα εκτέθηκε σε συγκεκριμένες συνθήκες, παρατηρήθηκε ότι τα πολλαπλά μικροκυματικά παλμοί οργανώνονταν από το ίδιο το χάος που συνήθως θεωρείται πρόβλημα.
Το εντυπωσιακό ήταν ότι, αντί να καταστρέφει τη συνοχή του συστήματος (όπως θα περίμενε κανείς από “χάος”), η αλληλεπίδραση των σπιν δημιούργησε πολύ σταθερά και συνεκτικά σήματα. Πρακτικά, οι φυσικοί βρήκαν τάξη μέσα στο χάος — κάτι που μπορεί να αποδειχθεί εξαιρετικά χρήσιμο για τεχνολογίες που βασίζονται σε κβαντικά φαινόμενα.
Γιατί έχει σημασία
Η κβαντική μηχανική είναι η βάση για τα κβαντικά υπολογιστικά συστήματα, τις επικοινωνίες υψηλής ευαισθησίας και τα αισθητήρια ακριβείας. Αν επιστήμονες μπορούν να μετατρέπουν φαινόμενα που πριν θεωρούνταν “μπλέξιμο” σε μπολιά χρήσιμης ενέργειας και συνοχής, τότε ανοίγει ο δρόμος για πιο σταθερά κβαντικά ρολόγια και αισθητήρες, κβαντικές επικοινωνίες με μεγαλύτερη εμβέλεια και αξιοπιστία, και πιθανόν νέες μεθόδους χειρισμού κβαντικών συστημάτων που σήμερα είναι απρόβλεπτα.
Η έρευνα δημοσιεύτηκε στο Nature Physics και δείχνει ότι μπορεί κανείς να χρησιμοποιήσει “κβαντικό χάος” όχι ως εμπόδιο, αλλά ως πηγή δομημένης ενέργειας/σήματος — ανοίγοντας μια νέα οπτική στην κβαντική τεχνολογία.
Τι είναι το quantum chaos και γιατί μας αφορά (με απλά λόγια)
Στον κβαντικό κόσμο, τα πάντα συμπεριφέρονται διαφορετικά απ’ ό,τι έχουμε συνηθίσει. Τα σωματίδια δεν κινούνται πάντα προβλέψιμα και, όταν πολλά από αυτά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, μπορεί να προκύψει αυτό που οι φυσικοί λένε κβαντικό χάος:
ένα σύστημα που γίνεται δύσκολο να ελεγχθεί και να προβλεφθεί.
Μέχρι σήμερα, αυτό το χάος θεωρούνταν εμπόδιο για την τεχνολογία. Αν δεν μπορείς να ελέγξεις ένα σύστημα, δεν μπορείς εύκολα να το χρησιμοποιήσεις πρακτικά. Ακριβώς εδώ έρχεται η νέα ανακάλυψη. Οι ερευνητές πήραν ένα κβαντικό σύστημα που κανονικά γίνεται ασταθές, παράγει “θόρυβο”, και χάνει γρήγορα τη συνοχή του και αντί να προσπαθήσουν να το “ηρεμήσουν”, έκαναν το αντίθετο, χρησιμοποίησαν το χάος υπέρ τους.
Με απλά λόγια άφησαν πολλά μικροσκοπικά “κβαντικά στοιχεία” να συνεργαστούν, αυτά άρχισαν να εκπέμπουν ενέργεια όλα μαζί και το αποτέλεσμα ήταν ένα καθαρό, σταθερό και ισχυρό σήμα. Σαν να παίρνεις μια χαοτική ορχήστρα και, χωρίς μαέστρο, να καταλήγει να παίζει συντονισμένα.
