50 de ani mai târziu, un mister cuantic a fost în sfârșit rezolvat

E un pic ca și cum ai descoperi o cameră nouă într-o casă pe care credeai că o știi pe de rost. După decenii de speculații teoretice, cercetătorii au observat în sfârșit un fenomen cuantic la fel de evaziv pe cât este de fascinant: tranziția de fază superradiantă, sau pe scurt SRPT. O stare nouă a materiei, prezisă pentru prima dată în anii 1950, care ar putea deschide calea către computere cuantice mai puternice, fiabile și precise. Deci, ce este mai exact această descoperire și de ce atâta agitație în lumea fizicii? Încercăm să vă explicăm.

Totul a început în 1954, când fizicianul Robert H. Dicke a propus o idee interesantă: în anumite condiții, un grup mare de atomi excitați ar putea emite lumină nu individual, ci într-un mod perfect sincronizat. Acest fenomen, numit superradianță, părea ceva desprins din vise. Mai mult, Dicke emite teoria că, prin împingerea unui sistem suficient de departe, această emisie coordonată ar putea provoca o tranziție de fază completă – la fel ca atunci când apa devine gheață – pentru a forma o nouă stare colectivă a materiei: așa-numita SRPT. Dar, timp de decenii, această presupunere a rămas blocată în ecuații. Motivul? O serie de obstacole teoretice și tehnice. SRPT părea condamnat să rămână o frumoasă fantezie pentru fizicieni.

Un studiu publicat în revista Science Advances a anunțat că cercetătorii de la Universitatea Rice (Statele Unite) au reușit să inducă și să observe SRPT într-un material solid. Rețeta lor? Un cristal compus din erbiu, fier și oxigen, răcit la -271,67°C (adică la câteva miimi de grad față de zero absolut) și supus unui câmp magnetic de peste 100.000 de ori mai puternic decât cel al Pământului. Cu alte cuvinte: un mediu extrem. În acest context, cercetătorii au observat că două subsisteme de particule – ionii de fier și ionii de erbiu ai cristalului – au intrat într-o fază de fluctuații colective perfect coordonate. Exact ceea ce a prezis modelul lui Dicke. Doar că aici, interacțiunile nu s-au făcut prin intermediul luminii, ci prin intermediul unor unde magnetice numite magnoni.

Dar ce este un magnon? Acesta este un tip de excitație colectivă într-un material magnetic, un fel de undă care se deplasează prin spini (momentul magnetic al particulelor). În acest experiment, magnonii creați de ioni vor juca rolul atribuit de obicei fluctuațiilor vidului cuantic, ceea ce a făcut posibilă eludarea limitelor teoretice care au împiedicat SRPT până acum. Rezultat: Cercetătorii au observat schimbări foarte clare în semnalele energetice ale cristalului, indicând faptul că acesta intrase într-adevăr în această nouă stare colectivă.

Dincolo de performanța tehnică, această realizare ar putea avea implicații practice majore. În special într-un domeniu care a fascinat oamenii de știință și industriașii de câțiva ani: calculul cuantic. Pentru ce ? Deoarece SRPT permite stabilizarea naturală a așa-numitelor stări „cuantice comprimate”, unde zgomotul cuantic – problema care perturbă măsurătorile și face qubiții atât de capricioși – este mult redus.

Pe scurt, acest lucru ar putea permite:
Qubiți mai stabili, mai puțin sensibili la erori;
Măsurători mai precise, utile pentru senzori cuantici sau experimente ultrasensibile;
Și, potențial, porți logice mai rapide pentru a rula viitoarele computere cuantice.

Celălalt mare avantaj al acestui fenomen este natura sa colectivă. Deoarece implică un număr mare de particule sincronizate, SRPT ar putea oferi o formă de protecție încorporată împotriva decoerenței, unul dintre marii dușmani ai tehnologiilor cuantice actuale.În loc să gestioneze qubiții unul câte unul, inginerii s-ar putea baza pe sisteme care se stabilizează singure prin interacțiunile lor interne. O abordare promițătoare, atât pentru fiabilitate, durata de viață a informației cuantice, cât și pentru miniaturizarea procesoarelor viitoare.

Desigur, suntem abia la început. Observarea SRPT este un pas fundamental, dar mai este mult de parcurs până când acesta devină un instrument industrial. Acestea fiind spuse, așa cum subliniază Dasom Kim, coautor al studiului, „această descoperire ar putea revoluționa senzorii și tehnologiile de calcul cuantic, îmbunătățind semnificativ stabilitatea, sensibilitatea și performanța lor.”

Având în vedere mizele cursei cuantice – de la climă la securitatea cibernetică – putem spune că această teorie veche, scoasă acum la iveală, ar putea fi una dintre cele mai mari surprize științifice ale deceniului.

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România