Στον καθημερινό κόσμο της κλασικής φυσικής, κυριαρχεί η έννοια της ισορροπίας. Αν ρίξετε μια σταγόνα μελάνης στο νερό, τελικά θα αναμειχθεί ομοιόμορφα. Αν αφήσετε ένα ποτήρι παγωμένο νερό στο τραπέζι, ο πάγος θα λιώσει και το νερό θα αποκτήσει τη θερμοκρασία του δωματίου.
Αυτή η διαδικασία ονομάζεται θερμοποίηση (thermalization). Ωστόσο, στις μικρότερες κλίμακες του σύμπαντος, τα πράγματα δεν συμπεριφέρονται πάντα με αυτόν τον τρόπο.
Στον κβαντικό κόσμο – στην ατομική και υποατομική κλίμακα – μπορεί να εμφανιστεί το φαινόμενο της εντόπισης (localization), όπου η εξάπλωση προς την ισορροπία δεν συμβαίνει, ακόμη και όταν τίποτα προφανές δεν την εμποδίζει. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Duke παρατήρησαν αυτή την ενδιαφέρουσα συμπεριφορά χρησιμοποιώντας έναν κβαντικό προσομοιωτή για πρώτη φορά. Το φαινόμενο, γνωστό και ως στατιστική εντόπιση, θα μπορούσε να βοηθήσει στην κατανόηση ασυνήθιστων ιδιοτήτων υλικών ή της κβαντικής μνήμης.
Καταστάσεις που αρνούνται να αναμειχθούν
Η Huanqian Loh, επίκουρη καθηγήτρια στο Duke, εξηγεί ότι στη στατιστική εντόπιση σχεδόν όλες οι καταστάσεις παραμένουν «παγωμένες». Για να το καταλάβουμε αυτό, ας φανταστούμε έναν barista που δημιουργεί ένα σχέδιο «τουλίπας» στον αφρό ενός καφέ. Αν ανακινήσουμε το φλιτζάνι, το σχέδιο εξαφανίζεται καθώς ο αφρός αναμιγνύεται με τον καφέ. Στη στατιστική εντόπιση, το σχέδιο παραμένει ανέπαφο παρά την ανακίνηση ή το χτύπημα του φλιτζανιού.
Αυτό το φαινόμενο είχε προβλεφθεί θεωρητικά το 2020 για συγκεκριμένα κβαντικά συστήματα, όπου υποσύνολα κβαντικών καταστάσεων συνδέονται μεταξύ τους αλλά παραμένουν αποκομμένα από όλες τις άλλες καταστάσεις. Η πειραματική υλοποίηση τέτοιων «κατακερματισμένων» συστημάτων απαιτεί εξαιρετική κβαντική μηχανική.
Η πειραματική υλοποίηση με άτομα ρουβιδίου
Η ομάδα της Loh χρησιμοποίησε μια πλατφόρμα κβαντικής υπολογιστικής με ουδέτερα άτομα ρουβιδίου.
- Έλεγχος με λέιζερ: Χρησιμοποιώντας εστιασμένα λέιζερ, οι ερευνητές έλεγξαν με ακρίβεια τη θέση κάθε ατόμου σε μια μονοδιάστατη αλυσίδα.
- Διέγερση: Με ένα άλλο λέιζερ, διέγειραν τα ηλεκτρόνια των ατόμων, προκαλώντας τη μεταξύ τους διεμπλοκή.
- Αποτέλεσμα: Οι ερευνητές κατάφεραν να «χορογραφήσουν» την πρώτη επίδειξη του φαινομένου της εντόπισης, δείχνοντας ότι οι περισσότερες διαμορφώσεις των qubits παραμένουν ουσιαστικά παγωμένες.
Εφαρμογές στη θεμελιώδη φυσική και την πληροφορική
Είναι αξιοσημείωτο ότι το φαινόμενο επιτεύχθηκε σε έναν κβαντικό προσομοιωτή της θεωρίας βαθμίδας πλέγματος (lattice gauge theory). Πρόκειται για το βασικό πλαίσιο που χρησιμοποιούμε για να περιγράψουμε τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.
Όπως επισημαίνει η Natalie Klco, επίκουρη καθηγήτρια φυσικής στο Duke, οι υπολογισμοί σε αυτές τις θεωρίες είναι εξαιρετικά δαπανηροί ή και αδύνατοι για τους κλασικούς υπολογιστές. Τα πειράματα αυτά αποτελούν ένα ενθαρρυντικό βήμα προς τη χρήση της κβαντικής υπολογιστικής στην υποατομική φυσική.
Καθώς οι κβαντικές τεχνολογίες εξελίσσονται από μικρούς προσομοιωτές σε μεγαλύτερους υπολογιστές με χιλιάδες qubits, η ικανότητα διατήρησης ή αποθήκευσης της κβαντικής πληροφορίας θα γίνει εξαιρετικά σημαντική. Η εκμετάλλευση των εντοπισμένων ιδιοτήτων ενός κβαντικού συστήματος, οι οποίες είναι ανθεκτικές στο απρόβλεπτο περιβάλλον, θα μπορούσε να αποτελέσει τη λύση για την επίτευξη αυτής της δυνατότητας.
