Forskere ved Universitetet i Innsbruck har observert en kvantegass som slutter å ta opp energi selv under kontinuerlig påvirkning. Funnene, publisert i Science, utfordrer vår klassiske intuisjon om oppvarming. Resultatet kan få betydning for kvantesimulatorer og kvantedatamaskiner.

Hva skjedde i laboratoriet?

I professor Hanns Christoph Nägerls gruppe ble det skapt en endimensjonal kvantevæske av sterkt samvirkende atomer, avkjølt til bare noen få nanokelvin over absolutt nullpunkt. Med laserlys utsatte forskerne atomene for et periodisk pulserende gitterpotensial – en jevn rytme av optiske "+spark". Etter klassisk intuisjon skulle systemet da absorbere energi kontinuerlig, omtrent som når bevegelse bygger seg opp på en trampoline.

Det uventede skjedde: Etter en kort startfase stoppet spredningen av atomenes momentum. Systemets kinetiske energi sluttet å øke og flatet ut. Selv om atomene fortsatt ble drevet og samvirket sterkt med hverandre, absorberte de ikke lenger energi.

Mange-legeme-dynamisk lokalisering

Tilstanden forskerne observerte kalles mange-legeme-dynamisk lokalisering (MBDL). Her blir bevegelsen låst i momentumrommet i stedet for å spre seg fritt, drevet frem av kvantekoherens og sammenfletting.

"I denne tilstanden forhindrer kvantekoherens og mange-legeme-sammenfletting systemet fra å termalisere og fra å vise diffusiv oppførsel, selv under vedvarende ytre påvirkning," forklarer Nägerl. "Momentumfordelingen fryser i praksis og beholder den strukturen den har."

Når uorden bryter koherensen

For å teste robustheten la forskerne til tilfeldighet i påvirkningssekvensen. Effekten var umiddelbar: Selv en liten mengde uorden var nok til å ødelegge lokaliseringen. Da koherensen ble forstyrret, spredte momentet seg igjen, den kinetiske energien økte raskt, og systemet gjenopptok energiabsorpsjon uten grense.

"Denne testen fremhevet at kvantekoherens er avgjørende for å forhindre termalisering i slike drevne mange-legeme-systemer," sier Nägerl.

Reaksjoner fra forskerne

"Vi hadde opprinnelig forventet at atomene ville begynne å fly rundt overalt. I stedet oppførte de seg på en forbløffende ryddig måte," sier hovedforfatter Yanliang Guo.

"Det som er slående er det faktum at i et sterkt drevet og sterkt samvirkende system kan mange-legeme-koherens tydeligvis stoppe energiabsorpsjon helt. Dette går mot vår klassiske intuisjon og avslører en bemerkelsesverdig stabilitet forankret i kvantemekanikk," sier Lei Ying ved Zhejiang University i Hangzhou.

Hvorfor det betyr noe

Å forhindre uønsket oppvarming er en av de største utfordringene i utviklingen av kvantesimulatorer og kvantedatamaskiner. Disse enhetene er avhengige av delikate kvantetilstander som lett kan gå tapt gjennom energioppbygging og dekoherens.

"Dette eksperimentet gir en presis og svært justerbar måte å utforske hvordan kvantesystemer kan motstå trekkraften fra kaos," sier Guo.

• Publisert i: Science
• Institusjon: Universitetet i Innsbruck (Østerrike)
• Metode: Laser-drevet optisk gitter, endimensjonal kvantevæske
• Sårbarhet: Selv liten uorden ødelegger lokaliseringen
• Finansiering: Det østerrikske forskningsfondet FWF, forskningsfremmingsbyrået FFG og Den europeiske union

Studien åpner nye veier for å forstå hvordan kvantesystemer kan forbli stabile langt fra likevekt, ved å vise at oppvarming kan stoppes helt under de rette forholdene.

Kilder: ScienceDaily, University of Innsbruck, Physics World, EurekAlert!, Science.

Konklusjon: Innsbruck-teamets observasjon av MBDL viser at kvantekoherens kan hindre oppvarming i sterkt drevne, sterkt samvirkende systemer – så lenge uorden holdes i sjakk. Neste steg blir å undersøke hvor langt denne stabiliteten kan strekkes i mer komplekse kvanteenheter.