MULTIDISCIPLINARNI tim s Instituta Ruđer Bošković (IRB) došao je do novih spoznaja važnih za razumijevanje kvantne fizike i s implikacijama za različite domene kvantnih tehnologija, od kvantnog računarstva preko kriptografije do primjene u razvoju novih materijala i lijekova.

U istraživanju objavljenom u uglednom časopisu Quantum, priopćeno je u utorak s IRB-a, znanstvenici su utvrdili da osnovna struktura povezivanja, odnosno sprezanja čestica u kvantnim sustavima, ne pruža potpun uvid u njihovu kasniju vremensku evoluciju.

Uz to, utvrdili su i da evolucija koja djeluje na susjedne čestice može utjecati na sprezanje čestica koje su daleko jedna od druge, "dodajući time novi aspekt kompleksnosti kvantnog svijeta".

U multidisciplinarnom istraživačkom timu bili su poslijedoktorand u Grupi za teorijsku kemiju IRB-a dr. sc. Jovan Odavić i dopisni autor na radu dr. Salvatore Marco Giampolo te Fabio Franchini  i dr. Gianpaolo Torre iz Grupe za fiziku kondenzirane tvari i statističku fiziku IRB-a te doktorand Nenad Mijić i dr. Davor Davidović iz Centra za informatiku i računarstvo IRB-a. 

Istraživanje je zahtijevalo i razvoj visoko specijaliziranog računalnog koda koji je sposoban za učinkovito skaliranje na veliki broj grafičkih procesorskih jedinica (GPU-a) te efikasno iskorištava njihove ogromne mogućnosti paralelnog procesiranja.  

Što je to kvantno sprezanje?

Zamislite svijet u kojem se sitne čestice povezuju na načine koji zbunjuju naše razumijevanje, slično situaciji kad slažete slagalicu, a nemate sve potrebne dijelove. 

To je domena kvantne fizike, navode iz IRB-a, a u njezinom je središtu pojam "sprezanja" (eng. entanglement), fenomen u kojem su čestice povezane posebnim načinom, čak i na velikim udaljenostima.

Razumijevanje kvantnog sprezanja je ključno za razvoj kvantnih tehnologija kao što su kvantna računala i kvantna komunikacija.

Sprezanje omogućuje česticama da budu međusobno povezane na način koji se drastično razlikuje od klasičnih sustava, što omogućuje izvođenje kvantnih operacija (ili kvantnih algoritama) koje su osnova za napredne kvantne tehnologije.

Znanstvenici su dugo smatrali da mogu predvidjeti kako iskoristiti ovo sprezanje te da primjenom matematičkih koncepata povezanih sa spektrom sprezanja mogu opisati kako se sprezanje mijenja kroz vremensku evoluciju.

Da bi testirali tu teoriju, ruđerovci su proveli niz računalnih eksperimenata u kojima su koristili posebnu metodu za manipulaciju spregnutih čestica.

''Pratili smo određenu grupu čestica, u ovom slučaju spinova, u okviru modela poznatim pod nazivom jednodimenzionalni Ising spinski lanac s poprečnim magnetnim poljem. Spinski lanci su se nalazili u različitim fazama sistema, neuređenoj fazi (nekoj vrsti kvantnog kaosa), te uređenoj, pa na kraju u stanju gdje dominantnu ulogu igra fizika frustriranog magnetizma," objasnio je poslijedoktorand Odavić proces istraživanja.

Kvantni preokret?

Kada su proučavali način sprezanja tih čestica, znanstvenici su otkrili zanimljivu činjenicu - pokazalo se da dinamika sprezanja nije određena samo načinom kojim se manipulira česticama nego i inicijalnim fazama kvantnog sustava.

Različite faze, pri čemu svaka odgovara različitim stanjima materije u našem svakodnevnom svijetu, pokazuju vrlo različite karakteristike.

Zanimljivo je da su sve faze koje su razmatrane u ovom istraživanju pokazivale istu vrstu početnog sprezanja, a još je zanimljivije, ističu iz Instituta, da su te faze različito reagirale na proces hlađenja koji pokreće evoluciju sprezanja.

U osnovi, ovo istraživanje preispituje pretpostavku mogu li statističke osobine spektra sprezanja samostalno točno predvidjeti dinamiku sprezanja.

To ukazuje na kompleksnu interakciju između lokalnosti (čestice interagiraju samo kada su blizu jedna drugoj) i nelokalnih ograničenja u kvantnim sustavima, objasnio je dr. Giampolo.

Istraživanje je dobilo podršku od Centra izvrsnosti QuantiXLie, projekta koji sufinanciraju vlada RH i Europska unija putem Europskog regionalnog razvojnog fonda, te podršku u sklopu projekta Hrvatske zaklade za znanost.