Η Κβαντική Μηχανή φαίνεται να αψηφά την ώθηση του Σύμπαντος για διαταραχή

Αν δοθεί αρκετός χρόνος, ακόμη και ένα τακτοποιημένο δωμάτιο θα γίνει ακατάστατο. Τα ρούχα, τα βιβλία και τα χαρτιά θα αφήσουν την τάξη τους και θα σκορπίσουν στο πάτωμα. Ενοχλητικό είναι ότι αυτή η τάση προς την απερισκεψία αντανακλά έναν νόμο της φύσης:Η διαταραχή τείνει να αυξάνεται.

Εάν, για παράδειγμα, ανοίξετε μια δεξαμενή κατάδυσης υπό πίεση, τα μόρια του αέρα μέσα θα εκτοξευθούν και θα εξαπλωθούν σε όλο το δωμάτιο. Τοποθετήστε ένα παγάκι σε ζεστό νερό και τα μόρια του νερού που έχουν παγώσει στο διατεταγμένο, κρυσταλλικό πλέγμα θα σπάσουν τους δεσμούς τους και θα διασκορπιστούν. Κατά την ανάμειξη και τη διάδοση, ένα σύστημα προσπαθεί να ισορροπήσει με το περιβάλλον του, μια διαδικασία που ονομάζεται θερμοποίηση.

Είναι συνηθισμένο και διαισθητικό, και ακριβώς αυτό που περίμενε να δει μια ομάδα φυσικών όταν παρατάξει 51 άτομα ρουβιδίου στη σειρά, κρατώντας τα στη θέση τους με λέιζερ. Τα άτομα ξεκίνησαν με ένα τακτικό μοτίβο, εναλλάσσοντας μεταξύ της «βασικής» κατάστασης χαμηλότερης ενέργειας και μιας διεγερμένης ενεργειακής κατάστασης. Οι ερευνητές υπέθεσαν ότι το σύστημα θα θερμικοποιηθεί γρήγορα:Το μοτίβο των εδαφών και των διεγερμένων καταστάσεων θα εγκατασταθούν σχεδόν αμέσως σε μια μπερδεμένη ακολουθία.

Και στην αρχή, το μοτίβο μπέρδεψε. Στη συνέχεια, όμως, συγκλονιστικά, επανήλθε στην αρχική εναλλασσόμενη ακολουθία. Μετά από λίγη ακόμα ανάμειξη, επέστρεψε ξανά στην αρχική αυτή διαμόρφωση. Εμπρός και πίσω πήγαινε, ταλαντεύοντας μερικές φορές σε μικρότερο του δευτερολέπτου — πολύ καιρό αφότου θα έπρεπε να έχει θερμανθεί.

Ήταν σαν να έριξες ένα παγάκι σε ζεστό νερό και δεν έλιωσε απλά, είπε ο Mikhail Lukin, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ και επικεφαλής της ομάδας. «Αυτό που βλέπετε είναι ότι ο πάγος λιώνει και κρυσταλλώνεται, λιώνει και κρυσταλλώνει», είπε. "Είναι κάτι πραγματικά ασυνήθιστο."

Οι φυσικοί έχουν ονομάσει αυτή την παράξενη συμπεριφορά «κβαντικές ουλές πολλών σωμάτων». Σαν να έχουν ουλές, τα άτομα φαίνεται να φέρουν ένα αποτύπωμα του παρελθόντος που τα τραβάει πίσω στην αρχική τους διαμόρφωση ξανά και ξανά.

Στους 16 μήνες από τη δημοσίευση του αποτελέσματος στο Nature , αρκετές ομάδες φυσικών προσπάθησαν να κατανοήσουν τη φύση αυτών των κβαντικών ουλών. Ορισμένοι πιστεύουν ότι η ανακάλυψη μπορεί να προαναγγέλλει μια νέα κατηγορία για το πώς αλληλεπιδρούν και συμπεριφέρονται τα κβαντικά σωματίδια - μια κατηγορία που αψηφά τις υποθέσεις των φυσικών ότι ένα τέτοιο σύστημα ακολουθεί μια αδυσώπητη πορεία προς τη θερμοποίηση. Επιπλέον, αυτό το φαινόμενο δημιουργίας ουλών θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα είδη κβαντικών δυαδικών ψηφίων μεγαλύτερης διάρκειας, βασικά συστατικά σε κάθε μελλοντικό κβαντικό υπολογιστή.

Υπέρβαση μηδενικής πιθανότητας

Πράγματι, όταν οι φυσικοί κατασκεύασαν το σύστημά τους με 51 άτομα, είχαν το βλέμμα τους στον κβαντικό υπολογισμό. Το σύστημα ήταν, στην πραγματικότητα, ένας κβαντικός προσομοιωτής, μια μηχανή σχεδιασμένη για να προσομοιώνει κβαντικές διεργασίες που διαφορετικά είναι αδύνατο να διερευνηθούν με έναν κλασικό υπολογιστή. Εκείνη την εποχή, το μηχάνημα ήταν ο μεγαλύτερος κβαντικός προσομοιωτής που κατασκευάστηκε ποτέ.

Τα άτομα στη μηχανή του Χάρβαρντ χρησιμεύουν ως qubits, με τις καταστάσεις ενεργοποίησης-απενεργοποίησης τους να είναι είτε η θεμελιώδης κατάσταση είτε μια διεγερμένη κατάσταση που ονομάζεται κατάσταση Rydberg. Το σύστημα επιτρέπει στους ερευνητές να το συντονίσουν όπως θέλουν, για παράδειγμα προσαρμόζοντας πόσο ισχυρά αλληλεπιδρούν τα άτομα μεταξύ τους.

Οι ερευνητές προετοίμασαν αρκετές αρχικές διαμορφώσεις εδάφους και διεγερμένων καταστάσεων. Επειδή τα άτομα αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους, θα πρέπει να θερμοποιηθούν. Ωστόσο, αντί να αναμιγνύονται όπως τα μόρια αερίου, τα άτομα σε αυτό το είδος κβαντικού συστήματος αναπτύσσουν βαθιές κβαντικές συνδέσεις μεταξύ τους, που ονομάζονται εμπλοκή. «Τότε η εμπλοκή θα εξαπλωθεί», είπε ο Λούκιν. "Έτσι συμβαίνει η θερμοποίηση."

Συνήθως, η εμπλοκή μεγάλωνε στον προσομοιωτή. Ωστόσο, όταν οι ερευνητές ξεκίνησαν το πείραμα σε μια διαμόρφωση εναλλασσόμενων διεγερμένων και θεμελιωδών καταστάσεων, τα σωματίδια μπλέκονταν και στη συνέχεια ξεμπερδεύτηκαν, ταλαντεύοντας καθώς κινούνταν μέσα και έξω από την αρχική τους διαμόρφωση.

Η συμπεριφορά φαινόταν απίθανη σε σημείο να είναι αδύνατη. Μόλις τα άτομα αρχίσουν να αλληλεπιδρούν, το εναλλασσόμενο μοτίβο τους θα πρέπει γρήγορα να ξεχαστεί, καθώς τα άτομα μπορούν να μεταβούν σε έναν τεράστιο αριθμό πιθανών ακολουθιών διεγερμένων και θεμελιωδών καταστάσεων. Είναι όπως η περίπτωση της δεξαμενής κατάδυσης, στην οποία τα μόρια του αέρα ξεφεύγουν από την αρχική τους διαμόρφωση μέσα στη δεξαμενή και διασκορπίζονται μέσα στο δωμάτιο. Υπάρχουν τόσες πολλές πιθανές θέσεις για να εξερευνήσουν τα μόρια που η πιθανότητα να συμπιεστούν όλα αυθόρμητα πίσω στη δεξαμενή είναι ουσιαστικά μηδενική.

«Το διαθέσιμο κβαντικό σύστημα μπορεί να υπάρχει σε τόσες πολλές πιθανές καταστάσεις που θα ήταν εξαιρετικά δύσκολο για αυτούς να επιστρέψουν και να βρουν από πού προήλθαν», δήλωσε ο Ζλάτκο Πάπιτς, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Λιντς στην Αγγλία.

Ωστόσο, αυτό ακριβώς είπε ο Λούκιν ότι παρατήρησαν. Το σύστημα φαίνεται να είναι εμποτισμένο με κάποια ειδική φυσική που του επιτρέπει να ακολουθήσει ξανά την πορεία του, είπε ο Πάπιτς. "Αφήνει ψίχουλα ψωμιού και επιστρέφει από όπου ήρθε."

"Αυτή ήταν η πρώτη πραγματική ανακάλυψη που έγινε με μια κβαντική μηχανή", είπε ο Lukin.

Ο Λούκιν και οι συνεργάτες του άρχισαν να γράφουν το πείραμα, αλλά πριν από τη δημοσίευση της εργασίας, ο Λούκιν το περιέγραψε σε ένα συνέδριο στην Τεργέστη της Ιταλίας, τον Ιούλιο του 2017. «Δεν ξέραμε τι να το κάνουμε», είπε ο Πάπιτς, ο οποίος ήταν στο κοινό εκείνη την ημέρα. "Δεν νομίζω ότι κανένας από το κοινό είχε ιδέα για το ποιος θα μπορούσε να είναι ο λόγος για αυτό."

Ουλές σε ένα στάδιο

Σύντομα, ωστόσο, ο Πάπιτς και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν ότι αυτή η συμπεριφορά θύμιζε ένα φαινόμενο που ανακαλύφθηκε πριν από περίπου 30 χρόνια.

Στη δεκαετία του 1980, ο φυσικός Eric Heller του Χάρβαρντ εξερευνούσε το κβαντικό χάος:Τι συμβαίνει όταν εφαρμόζετε την κβαντική μηχανική σε χαοτικά συστήματα; Συγκεκριμένα, ο Χέλερ εξέτασε πώς μια μπάλα του μπιλιάρδου αναπηδά μέσα σε ένα «στάδιο Μπουνίμοβιτς» — ένα ορθογώνιο καλυμμένο από ημικύκλια. Το σύστημα είναι χαοτικό. εάν δοθεί αρκετός χρόνος, η μπάλα θα καλύψει κάθε πιθανή τροχιά μέσα στο γήπεδο. Αλλά αν ξεκινήσετε τη μπάλα από μια συγκεκριμένη γωνία, θα ακολουθήσει ξανά την ίδια διαδρομή για πάντα.

Σε ένα πείραμα σκέψης, ο Heller αντικατέστησε τη μπάλα με ένα κβαντικό σωματίδιο. «Η αφελής προσδοκία είναι ότι αν το κλασικό σας σύστημα είναι ήδη χαοτικό», είπε ο Πάπιτς, όταν προσθέτετε τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής «θα πρέπει να περιμένετε ακόμη πιο χαοτική συμπεριφορά». Η κυματική συνάρτηση του σωματιδίου - η αφηρημένη μαθηματική ενθυλάκωση των κβαντικών ιδιοτήτων του - θα πρέπει να κηλιδωθεί σε όλο το στάδιο ακριβώς όπως τα κύματα του νερού κυματίζουν σε μια λίμνη. Η πιθανότητα να βρείτε το σωματίδιο σε ένα δεδομένο μέρος θα πρέπει να είναι η ίδια παντού στο στάδιο.

Αλλά ο Heller ανακάλυψε ότι αντί να εξαπλωθεί, η κυματική συνάρτηση του σωματιδίου συγκεντρώνεται κατά μήκος των ίδιων μονοπατιών όπως στην ειδική κλασική περίπτωση όπου η μπάλα επανατοποθετείται. Είναι σαν τα κύματα να αναπτύσσουν μια ανάμνηση αυτής της ειδικής τροχιάς. «Είναι σαν να πηγαίνω σπίτι για αυτούς», είπε ο Χέλερ. «Θέλουν πραγματικά να επιστρέψουν εκεί που γεννήθηκαν. Είναι τόσο απλό."

Κατά τη διάρκεια αυτής της τροχιάς, το κύμα του σωματιδίου παρεμβαίνει εποικοδομητικά στον εαυτό του - οι κορυφές προστίθενται στις κορυφές και οι γούρνες προστίθενται στις γούρνες. Ως αποτέλεσμα, το σωματίδιο είναι πολύ πιθανό να βρίσκεται κάπου κατά μήκος αυτής της διαδρομής. Σε ένα γράφημα, η κατανομή πιθανοτήτων του σωματιδίου μοιάζει με πιο ασαφείς εκδοχές αυτών των κλασικών περιοδικών τροχιών. «Μου φαίνονται σαν ουλές», είπε ο Χέλερ. Έτσι, στην εργασία του το 1984, έτσι τους αποκάλεσε.

Ίσως ένα παρόμοιο φαινόμενο θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί το σύστημα των 51 ατόμων συνέχιζε να επανέρχεται στην αρχική του διαμόρφωση, σκέφτηκε ο Πάπιτς. Ίσως και να ήταν νοσταλγία.

Η περικοπή που κάνει την ουλή

Για να το ανακαλύψουν, ο Πάπιτς και οι συνεργάτες του ανέλυσαν τις κβαντικές καταστάσεις ενός μοντέλου του συστήματος 51 ατόμων. Η παράξενη ταλαντευόμενη συμπεριφορά του, βρήκαν, στην πραγματικότητα έμοιαζε με την κβαντική ουλή του Heller. Προσδιόρισαν καταστάσεις που έμοιαζαν με τις ειδικές καταστάσεις που αντιστοιχούν σε ουλές τροχιές. Επιστρέφοντας περιοδικά σε αυτές τις καταστάσεις, το σύστημα θα μπορούσε να αποφύγει τη θερμοποίηση. Η σύνδεση με τις κβαντικές ουλές ήταν αρκετά ενδεικτική ότι, σε μια εργασία πέρυσι στο Nature Physics , ονόμασαν το φαινόμενο «κβαντικές ουλές πολλών σωμάτων».

Παρά τον αρχικό σκεπτικισμό της ανάλυσης του Πάπιτς, ο Λούκιν, μαζί με τον Γουέν Γουέι Χο, φυσικό στο Χάρβαρντ, και άλλους, έκαναν στη συνέχεια πιο σαφή τη σύνδεση με τις κβαντικές ουλές σε μια εργασία που δημοσιεύθηκε τον Ιανουάριο. Προσδιόρισαν έναν κλασικό τρόπο για να περιγράψουν την κατάσταση του συστήματος των 51 ατόμων ως ένα σημείο στον αφηρημένο χώρο. Καθώς η κατάσταση του συστήματος αλλάζει, το σημείο μετακινείται. Οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι όταν το σύστημα υφίσταται τις περίεργες ταλαντώσεις του, το σημείο γέρνει μπρος-πίσω με τρόπο παρόμοιο με τις ειδικές περιοδικές διαδρομές μιας μπάλας στο τραπέζι του μπιλιάρδου του σταδίου.

Βρίσκοντας μια κλασική αναλογία, οι ερευνητές ενίσχυσαν την υπόθεση ότι το φαινόμενο του ενός σώματος του Heller ισχύει στην πραγματικότητα σε ένα σύστημα πολλών σωμάτων. «Αυτοί οι τύποι κάνουν κάτι», είπε ο Χέλερ. "Πραγματικά είναι."

Αυτό που είναι ξεκάθαρο είναι ότι το πείραμα έχει προκαλέσει το ενδιαφέρον ερευνητών σε όλο τον κόσμο. Μια ομάδα στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνια έχει εντοπίσει τις μαθηματικές εκφράσεις που αντιπροσωπεύουν ορισμένες από τις ειδικές καταστάσεις ουλής του συστήματος 51 ατόμων. Ένας άλλος στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον έχει προτείνει ότι οι ουλές θα μπορούσαν να είναι ένα ευρύτερο φαινόμενο με εφαρμογές σε διαφορετικούς τομείς της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης. «Πιστεύουμε ότι καταλαβαίνουμε τι συμβαίνει σε αυτό το σύστημα», είπε ο Χο. "Αλλά δεν έχουμε ακόμα μια γενική συνταγή για το πότε μπορείτε να βρείτε άλλες ουλές."

Και παραμένουν βαθύτερα ερωτήματα. «Οι «ουλές» είναι μια χρήσιμη περιγραφή του προβλήματος», είπε η Βέντικα Κεμάνι, φυσικός στο Χάρβαρντ που δεν ασχολείται με το πείραμα. "Αλλά εξακολουθώ να πιστεύω ότι δεν έχουμε καμία κατανόηση για το τι προκαλεί την ουλή."

Δομή στην τυχαιότητα

Παρά αυτά τα άγνωστα, οι ουλές πολλών σωμάτων ενθουσιάζουν τους φυσικούς επειδή θα μπορούσαν να αντιπροσωπεύουν μια νέα κατηγορία κβαντικού συστήματος.

Τα τελευταία χρόνια, οι φυσικοί έχουν εξερευνήσει μια άλλη τέτοια κατηγορία, που ονομάζεται εντοπισμός πολλών σωμάτων, όπου τυχαίες ακαθαρσίες εμποδίζουν ένα σύστημα να θερμανθεί. Ως αναλογία, σκεφτείτε ένα κοπάδι αγελάδων που περιπλανιέται σε ένα επίπεδο τοπίο. Οι αγελάδες θα πρέπει τελικά να εξαπλωθούν - να το ονομάσουμε θερμοποίηση βοοειδών. Αλλά αν το τοπίο έχει τυχαίους λόφους, οι αγελάδες θα βρεθούν κολλημένες στις κοιλάδες.

Ομοίως, το κβαντικό σύστημα με ουλές πολλών σωμάτων δεν είναι ένα χαοτικό, θερμικό σύστημα. Ωστόσο, δεν έχει τίποτα σαν λόφους. «Αυτή η εργασία υποδηλώνει ότι υπάρχει μια νέα κατηγορία συστήματος που βρίσκεται ανάμεσα σε αυτά τα δύο πράγματα», είπε ο Πάπιτς.

Για να εξηγήσει το φαινόμενο της ουλής, η πρόσφατη ανάλυση του Khemani προτείνει ότι το σύστημα των 51 ατόμων μπορεί να είναι (τουλάχιστον κοντά) αυτό που ονομάζεται ολοκληρωμένο σύστημα. Ένα τέτοιο σύστημα είναι μια ειδική, μεμονωμένη περίπτωση, με πολλούς περιορισμούς και χαρακτηριστικά που είναι ρυθμισμένα με τρόπο που το εμποδίζουν να θερμανθεί ποτέ. Επομένως, εάν το σύστημα ουλών είναι ενσωματώσιμο, μπορεί να είναι μια μοναδική περίπτωση μιας ευρύτερης κατηγορίας φαινομένων.

Οι φυσικοί μελετούν τα ολοκληρωμένα συστήματα για δεκαετίες, και αν αυτό το σύστημα είναι ενσωματώσιμο, είπε ο Πάπιτς, οι συνέπειες είναι λιγότερο πειστικές από ό,τι αν πρόκειται για ένα μοναδικό κβαντικό σύστημα. Ο Πάπιτς, ο Χο και ο Λούκιν έχουν γράψει μια εργασία που υποστηρίζει αυτήν την πιθανότητα.

Ανεξάρτητα από το αν οι ουλές πολλών σωμάτων είναι πράγματι μια νέα κατηγορία κβαντικής συμπεριφοράς, η ανακάλυψη δείχνει τη δελεαστική προοπτική ότι θα μπορούσε τελικά να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση των κβαντικών υπολογιστών.

Μία από τις προκλήσεις της κατασκευής ενός κβαντικού υπολογιστή είναι η ανάγκη προστασίας των εύθραυστων qubits του. Οποιαδήποτε διαταραχή ή διαταραχή από το εξωτερικό περιβάλλον μπορεί να προκαλέσει τη θερμοποίηση των qubits, διαγράφοντας τυχόν αποθηκευμένες πληροφορίες και αχρηστεύοντας τον υπολογιστή. "Εάν μπορείτε να βρείτε έναν γενικό τρόπο για να προκαλέσετε ουλές σε άλλα συστήματα, τότε ίσως μπορείτε να προστατεύσετε τις κβαντικές πληροφορίες για μεγάλο χρονικό διάστημα", είπε ο Ho.

Οι ουλές, λοιπόν, μπορεί να προσφέρουν έναν τρόπο για να κολλήσει ο υπολογιστής στη μνήμη, διατηρώντας το παρελθόν πριν το εξαφανίσει το χάος της θερμοποίησης.

«Υπάρχει κάποια όμορφη δομή που κατά κάποιο τρόπο συνυπάρχει με ένα εντελώς τυχαίο περιβάλλον», είπε ο Πάπιτς. «Τι είδους φυσική επιτρέπει να συμβεί αυτό; Αυτό είναι ένα είδος βαθιάς και βαθιάς ερώτησης που διατρέχει πολλούς τομείς της φυσικής και νομίζω ότι αυτή είναι μια άλλη ενσάρκωση.»

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στα ισπανικά στη διεύθυνση Investigacionyciencia.es .