Μια ερευνητική ομάδα που συνδέεται με το UNIST κατάφερε με επιτυχία να επιδείξει πειραματικά τη δημιουργία συλλογικής κβαντικής εμπλοκής βασισμένη σε σκοτεινές καταστάσεις – που μέχρι πρόσφατα περιορίζονταν σε θεωρητικά μοντέλα. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν διαδικτυακά στο Nature Communications.
Κβαντική εμπλοκή: Σκοτεινές καταστάσεις με αντοχή και διάρκεια
Σε αντίθεση με τις φωτεινές καταστάσεις, οι σκοτεινές καταστάσεις είναι ιδιαίτερα ανθεκτικές σε εξωτερικές διαταραχές και παρουσιάζουν αξιοσημείωτα παρατεταμένους χρόνους ζωής, γεγονός που τις καθιστά υποψήφιες για τεχνολογίες κβαντικής μνήμης και υπερευαίσθητους αισθητήρες.
Με επικεφαλής τον καθηγητή Τζε-Χιουνγκ Κιμ από το Τμήμα Φυσικής του UNIST, σε συνεργασία με τον δρ. Τσανγκχιούπ Λι από το Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) και τον δρ. Τζιν Ντονγκ Σονγκ από το Korea Institute of Science and Technology (KIST), η ομάδα πέτυχε την ελεγχόμενη επαγωγή συλλογικής εμπλοκής βασισμένης σε σκοτεινές καταστάσεις. Αξιοσημείωτο είναι ότι αυτή η εμπλοκή εμφανίζει χρόνο ζωής περίπου 600 φορές μεγαλύτερο από εκείνον των συμβατικών φωτεινών καταστάσεων.
Η πρόκληση της δημιουργίας σκοτεινών καταστάσεων
Η κβαντική εμπλοκή μεταξύ πολλών μη διακριτών σωματιδίων εκδηλώνεται συνήθως είτε ως φωτεινές είτε ως σκοτεινές καταστάσεις. Οι σκοτεινές καταστάσεις χαρακτηρίζονται από σχεδόν πλήρη αορατότητα στο εκπεμπόμενο φως, επιτρέποντας στην εμπλοκή να επιμένει για μεγάλα χρονικά διαστήματα.
Αν και αυτό το προστατευτικό χαρακτηριστικό διαθέτει τεράστιες δυνατότητες για την αποθήκευση και τη μετάδοση κβαντικών πληροφοριών, η δημιουργία και η διατήρηση σκοτεινών καταστάσεων αποτελούσε εδώ και καιρό σημαντική πειραματική πρόκληση.
Οι ερευνητές ξεπέρασαν αυτά τα εμπόδια χρησιμοποιώντας μια νανοκοιλότητα με προσεκτικά ρυθμισμένους ρυθμούς απωλειών, εξισορροπώντας τη δύναμη σύζευξης μεταξύ των κβαντικών σημείων και της διάχυσης της κοιλότητας.
Ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης, δρ. ΚιουΓιόνγκ Κιμ, εξήγησε: «Όταν η απώλεια της κοιλότητας είναι πολύ υψηλή, τα κβαντικά σημεία δρουν ανεξάρτητα χωρίς να επηρεάζουν το ένα το άλλο. Αντιθέτως, όταν η σύζευξη είναι αρκετά ισχυρή, σχηματίζεται μια συλλογική εμπλεκόμενη κατάσταση, ανθεκτική στις εξωτερικές διαταραχές».
600 φορές μεγαλύτερη διάρκεια ζωής
Στα πειράματά τους, η ομάδα παρατήρησε ότι η εμπλοκή μέσα στη σκοτεινή κατάσταση μπορούσε να διαρκέσει έως και 36 νανοδευτερόλεπτα – χρόνος ζωής περίπου 600 φορές μεγαλύτερος από τα 62 πικοδευτερόλεπτα που είναι τυπικά για τις φωτεινές καταστάσεις. Επιπλέον, ανίχνευσαν φαινόμενα όπως η μη κλασική συσσωμάτωση φωτονίων, παρέχοντας άμεσες αποδείξεις για τον σχηματισμό της σκοτεινής κατάστασης.
Αν και τέτοιες καταστάσεις συνήθως καταστέλλουν την εκπομπή φωτονίων, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, τα εμπλεκόμενα κβαντικά σημεία εξέπεμψαν φωτόνια ταυτόχρονα, επιδεικνύοντας τις μοναδικές ιδιότητες της σκοτεινής κατάστασης.
Ο καθηγητής Κιμ δήλωσε:
«Αυτή η πειραματική υλοποίηση εμπλοκής σκοτεινής κατάστασης – που παλαιότερα ήταν μόνο θεωρητική – δείχνει ότι με προσεκτική μηχανική των απωλειών μπορούμε να διατηρήσουμε κβαντικές συσχετίσεις για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Αυτό ανοίγει νέους δρόμους για την αποθήκευση κβαντικών πληροφοριών, τους αισθητήρες υψηλής ακρίβειας και τις τεχνολογίες συλλογής ενέργειας που βασίζονται σε κβαντικές αρχές».
Περισσότερες πληροφορίες: Kyu-Young Kim et al, Συλλογική εκπομπή που προκαλείται από κοιλότητες από υποακτινοβολία σταθερής κατάστασης, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-61629-w
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Communications