Jeśli ustawimy garnek z wodą na kuchence i pomimo włączonego palnika będzie ona utrzymywała temperaturę pokojową, to będzie to trudne do zrozumienia. Z podobnym fenomenem spotkali się niedawno fizycy, którzy zaobserwowali takie zjawisko w świecie kwantowym. Badacze z Uniwersytetu w Innsbrucku i Uniwersytetu Zhejiang natrafili na coś, co mogłoby podważyć nasze podstawowe rozumienie termodynamiki. Ich eksperymenty ujawniły niezwykłe zachowanie materii w skali atomowej, które każe na nowo przemyśleć granice między porządkiem a chaosem.

Eksperyment z atomami cezu. Wyzwanie rzucone klasycznej fizyce

Zespół pod kierunkiem Hannsa-Christopha Nägerla badał zachowanie jednowymiarowego gazu kwantowego złożonego z atomów cezu. Naukowcy schłodzili go do temperatury niewiele wyższej od zera absolutnego, czyli najniższej wartości występujących we wszechświecie. W tak ekstremalnych warunkach materia zaczyna podlegać wyłącznie prawom mechaniki kwantowej. Następnie poddali ten ultrazimny gaz działaniu precyzyjnych impulsów laserowych. Zgodnie z klasycznymi przewidywaniami, dostarczana energia powinna była prowadzić do wzrostu temperatury i chaotycznego ruchu cząstek. Tymczasem stało się coś zupełnie innego: zachowywały się w uporządkowany sposób. Rozkład pędu atomów po prostu przestał się zmieniać. Gaz odmówił dalszego przyjmowania energii, zachowując się jakby kwantowe prawa stworzyły barierę nie do pokonania dla klasycznej termodynamiki.

Wyjaśnienie tego fenomenu tkwi w zjawisku dynamicznej lokalizacji wielu ciał. Kluczową rolę odgrywa tu koherencja kwantowa i splątanie cząstek. W przeciwieństwie do klasycznych układów, w których cząstki działają niezależnie, w świecie kwantowym atomy mogą pozostawać w stanie wzajemnego powiązania niezależnie od dzielącej je odległości. Jak wyjaśnia główny autor nowych doniesień, w tym stanie koherencja kwantowa i splątanie wielu ciał zapobiegają termalizacji systemu i dyfuzyjnemu zachowaniu, nawet przy ciągłym zewnętrznym napędzaniu. Dokonane odkrycie rzuca nowe światło na fundamentalną różnicę między światem klasycznym a kwantowym. Mechanika kwantowa zdaje się posiadać wbudowane mechanizmy obronne przed nieuniknionym w normalnych warunkach chaosem.

Test na kwantową wytrzymałość. Co burzy delikatną równowagę?

Aby potwierdzić swoją hipotezę, badacze przeprowadzili kluczowy eksperyment. Wprowadzili minimalną losowość do sekwencji impulsów laserowych. Było to ledwo zauważalne zaburzenie w idealnie uporządkowanym pobudzaniu układu. Reakcja była natychmiastowa i wyraźna. Efekt lokalizacji zniknął bez śladu. Gaz powrócił do klasycznego zachowania: temperatura zaczęła rosnąć, atomy wpadły w chaotyczny ruch, a układ ponownie zaczął absorbować energię. Pokazało to wyraźnie, iż koherencja kwantowa jest kluczowa dla zapobiegania termalizacji w takich napędzanych układach wielociałowych. Fizycy przekonali się natomiast, jak kruchy jest stan kwantowej równowagi. Najmniejsze zaburzenie może przełączyć układ między uporządkowanym stanem kwantowym a klasycznym chaosem.

Odkrycie opisane w czasopiśmie Science może mieć znaczenie dla rozwoju technologii kwantowych. Głównym wyzwaniem dla komputerów kwantowych pozostaje niekontrolowane nagrzewanie i utrata koherencji, znane jako dekoherencja. Zrozumienie mechanizmów pozwalających systemom kwantowym opierać się chaosowi może pomóc w projektowaniu bardziej stabilnych urządzeń. Być może uda się wykorzystać te zjawiska do ograniczenia problemu dekoherencji, choć na praktyczne wdrożenia przyjdzie nam jeszcze poczekać. Badanie dostarcza nowych narzędzi do eksplorowania tego, jak systemy kwantowe mogą przeciwstawiać się, jak to stwierdzili sami zainteresowaniu, “przyciąganiu chaosu”. Perspektywa lepszego zrozumienia tych procesów daje sporo nadziei. To krok w kierunku praktycznego wykorzystania kwantowych osobliwości, nawet jeśli droga do komercyjnych zastosowań pozostaje długa.