Cercetătorii de la Universitatea Innsbruck au demonstrat că sistemele cuantice pot rezista încălzirii chiar și când sunt supuse unei forțe externe constante, contrazicând intuiția fizică clasică, potrivit Sciencedaily. Experimentul a arătat că atomii ultra-reci pot intra într-o stare specială care blochează absorbția de energie. Descoperirea ar putea revoluționa dezvoltarea calculatoarelor cuantice și a simulatoarelor cuantice.
Experimentul care a surprins comunitatea științifică
Echipa condusă de Hanns Christoph Nägerl de la Departamentul de Fizică Experimentală a creat un fluid cuantic unidimensional din atomi puternic interacționali. Atomii au fost răciți la doar câteva nanokelvin deasupra zeroului absolut. Folosind lumina laser, cercetătorii au supus atomii unui potențial de rețea care se activa și dezactiva rapid și repetat.
Această configurație a creat un mediu cu impulsuri regulate care efectiv lovea atomii în mod continuu. În condiții normale, atomii ar fi trebuit să absoarbă energie în mod continuu, similar cu modul în care mișcarea se amplifică pe o trambulină când cineva continuă să sară. În schimb, cercetătorii au observat o schimbare surprinzătoare după o scurtă perioadă inițială.
Răspândirea impulsului atomilor s-a oprit complet. Energia cinetică a sistemului a încetat să crească și s-a stabilizat. Chiar dacă atomii continuau să fie acționați și să interacționeze puternic între ei, aceștia nu mai absorbeau energie. Sistemul intrase într-o stare cunoscută sub numele de localizare dinamică multi-corp (MBDL).
Mecanismul localizării dinamice multi-corp
În starea MBDL, mișcarea devine blocată în spațiul impulsului în loc să se răspândească liber. „În această stare, coerentă cuantică și încurcătura multi-corp împiedică sistemul să se termalizeze și să prezinte comportament difuziv, chiar și sub acționare externă susținută”, explică Hanns Christoph Nägerl. „Distribuția impulsului se îngheață în esență și păstrează orice structură are.”
Rezultatul i-a surprins chiar și pe oamenii de știință implicați. Autorul principal Yanliang Guo a recunoscut că comportamentul a contrazis ceea ce preziseseră. „Inițial ne așteptam ca atomii să înceapă să zboare în toate părțile. În schimb, s-au comportat într-un mod uimitor de ordonat”, a declarat Guo.
Lei Ying, colaborator teoretic de la Universitatea Zhejing din Hangzhou, China, a împărtășit aceeași reacție. „Acest lucru nu corespunde așteptării noastre naive. Ce este izbitor este faptul că într-un sistem puternic acționat și puternic interacțional, coerentă multi-corp poate în mod evident să oprească absorbția de energie. Acest lucru merge împotriva intuiției noastre clasice și relevă o stabilitate remarcabilă înrădăcinată în mecanica cuantică.”
Provocările simulării computaționale
Ying a subliniat că recrearea acestui comportament folosind simulări computerizate clasice este extrem de provocatoare. „De aceea avem nevoie de experimente. Ele merg mână în mână cu simulările noastre teoretice”, a explicat fizicianul chinez.
Complexitatea sistemelor cuantice multi-corp face ca modelarea lor computațională să fie una dintre cele mai mari provocări din fizica modernă. Numărul de stări posibile crește exponențial cu numărul de particule, făcând calculele clasice aproape imposibile pentru sisteme mari. Experimentele directe rămân astfel esențiale pentru validarea teoriilor cuantice avansate.
Testarea robustetei stării cuantice speciale
Pentru a vedea cât de robustă era această stare neobișnuită, cercetătorii au modificat experimentul adăugând aleatoritate în secvența de acționare. Efectul a fost imediat. Chiar și o cantitate mică de dezordine a fost suficientă pentru a distruge localizarea.
Odată ce coerentă a fost perturbată, atomii s-au comportat mai convențional. Impulsul lor s-a răspândit din nou, energia cinetică a crescut rapid, iar sistemul a reluat absorbția de energie fără limită. „Acest test a evidențiat că coerentă cuantică este crucială pentru prevenirea termalizării în astfel de sisteme multi-corp acționate”, spune Nägerl.
Fragilitatea stării MBDL demonstrează importanța menținerii condițiilor precise în sistemele cuantice. Chiar și perturbări minore pot distruge efectele cuantice delicate, readucând sistemul la comportamentul clasic așteptat.
Implicații pentru tehnologiile cuantice viitoare
Descoperirea MBDL are implicații care se extind mult dincolo de fizica de bază. Prevenirea încălzirii nedorite este una dintre cele mai mari provocări cu care se confruntă dezvoltarea simulatoarelor cuantice și a calculatoarelor cuantice. Aceste dispozitive se bazează pe menținerea stărilor cuantice delicate care pot fi ușor pierdute prin acumularea de energie și decoerență.
„Acest experiment oferă o modalitate precisă și foarte reglabilă pentru explorarea modului în care sistemele cuantice pot rezista atracției haosului”, spune Guo. Prin demonstrarea că încălzirea poate fi oprită complet în condițiile potrivite, descoperirile provoacă presupozițiile de lungă durată despre modul în care se comportă materia cuantică acționată.
Studiul deschide noi căi pentru înțelegerea modului în care sistemele cuantice pot rămâne stabile chiar și când sunt împinse departe de echilibru. Această cunoaștere ar putea fi crucială pentru dezvoltarea unor tehnologii cuantice mai robuste și mai eficiente în viitor.
Context științific și finanțare
Cercetarea a fost publicată în revista Science și a primit sprijin financiar de la Fondul Austriac pentru Știință FWF, Agenția Austriacă de Promovare a Cercetării FFG și Uniunea Europeană, printre altele. Materialele au fost furnizate de Universitatea Innsbruck, cu mențiunea că conținutul poate fi editat pentru stil și lungime.
Universitatea Innsbruck este recunoscută la nivel mondial pentru cercetările sale în fizica cuantică și tehnologiile cuantice. Grupul lui Nägerl s-a specializat în studierea gazelor cuantice ultra-reci și a fenomenelor cuantice multi-corp, contribuind semnificativ la înțelegerea comportamentului materiei la temperaturi extreme.
