Σπουδαία (και τυχαία) επιβεβαίωση: Η κβαντική διεμπλοκή καταστρέφεται στις υψηλές θερμοκρασίες

Σχεδόν έναν αιώνα πριν, ο Φυσικός Erwin Schrödinger επέστησε την προσοχή σε μια ιδιαιτερότητα του κβαντικού κόσμου που γοητεύει και ενοχλεί τους ερευνητές έκτοτε. Όταν κβαντικά σωματίδια όπως τα άτομα αλληλεπιδρούν, αποβάλλουν τις ατομικές τους ταυτότητες υπέρ μιας συλλογικής κατάστασης που είναι μεγαλύτερη και πιο παράξενη από το άθροισμα των μερών της. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται κβαντική διεμπλοκή (ή εναγκαλισμός αν θέλετε).

Οι ερευνητές έχουν μια σαφή κατανόηση του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί η διεμπλοκή σε εξιδανικευμένα συστήματα που περιέχουν λίγα μόνο σωματίδια. Αλλά ο πραγματικός κόσμος είναι πιο περίπλοκος. Σε μεγάλες συστοιχίες ατόμων, όπως αυτές που αποτελούν τα πράγματα που βλέπουμε και αγγίζουμε, οι νόμοι της Κβαντικής Φυσικής ανταγωνίζονται τους νόμους της Θερμοδυναμικής και τα πράγματα γίνονται ακατάστατα.

Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, η διεμπλοκή μπορεί να εξαπλωθεί σε μεγάλες αποστάσεις, περικλείοντας πολλά άτομα και δημιουργώντας παράξενα φαινόμενα όπως η υπεραγωγιμότητα. Αν όμως ανεβάσετε τη θερμοκρασία, τα άτομα τρεμοπαίζουν, διαταράσσοντας τους εύθραυστους δεσμούς που συνδέουν τα διεμπλεκόμενα σωματίδια.

Οι Φυσικοί παλεύουν εδώ και καιρό να προσδιορίσουν τις λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας. Τώρα, μια ομάδα τεσσάρων ερευνητών απέδειξε ότι η διεμπλοκή δεν αποδυναμώνεται απλώς με την αύξηση της θερμοκρασίας. Αντίθετα, σε μαθηματικά μοντέλα κβαντικών συστημάτων, όπως οι συστοιχίες ατόμων σε φυσικά υλικά, υπάρχει πάντα μια συγκεκριμένη θερμοκρασία πάνω από την οποία εξαφανίζεται εντελώς. «Δεν είναι απλώς ότι είναι εκθετικά μικρή», δήλωσε ο Ankur Moitra του MIT, ένας από τους συγγραφείς της νέας μελέτης. «Είναι μηδενική».

Οι ερευνητές είχαν παρατηρήσει στο παρελθόν νύξεις αυτής της συμπεριφοράς και την ονόμασαν «ξαφνικό θάνατο» της εμπλοκής. Αλλά οι αποδείξεις τους ήταν κυρίως έμμεσες. Το νέο εύρημα θέτει ένα πολύ ισχυρότερο όριο για την εμπλοκή με μαθηματικά αυστηρό τρόπο.

Περιέργως, οι τέσσερις ερευνητές που βρίσκονται πίσω από το νέο αποτέλεσμα δεν είναι καν Φυσικοί, και δεν έθεσαν ως στόχο να αποδείξουν κάτι σχετικά με την εμπλοκή. Είναι επιστήμονες Πληροφορικής που έπεσαν τυχαία πάνω στην απόδειξη κατά την ανάπτυξη ενός νέου αλγορίθμου. Ανεξάρτητα από την πρόθεση τους, τα αποτελέσματα έχουν ενθουσιάσει τους ερευνητές της περιοχής. «Είναι μια πολύ, πολύ ισχυρή δήλωση», δήλωσε ο Soonwon Choi, Φυσικός στο MIT. «Εντυπωσιάστηκα πολύ».

Η ομάδα έκανε την ανακάλυψη της διερευνώντας τις θεωρητικές δυνατότητες των μελλοντικών κβαντικών υπολογιστών - μηχανών που θα εκμεταλλεύονται την κβαντική συμπεριφορά, συμπεριλαμβανομένης της διεμπλοκής και της υπέρθεσης, για να εκτελούν ορισμένους υπολογισμούς πολύ ταχύτερα από τους συμβατικούς υπολογιστές που γνωρίζουμε σήμερα.

Μια από τις πιο υποσχόμενες εφαρμογές των κβαντικών υπολογιστών είναι η μελέτη της ίδιας της Κβαντικής Φυσικής. Ας υποθέσουμε ότι θέλουμε να κατανοήσουμε τη συμπεριφορά ενός κβαντικού συστήματος. Οι ερευνητές πρέπει πρώτα να αναπτύξουν συγκεκριμένες διαδικασίες, ή αλγόριθμους, που οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να χρησιμοποιήσουν για να απαντήσουν στα ερωτήματα μας.

Αλλά δεν είναι όλα τα ερωτήματα σχετικά με τα κβαντικά συστήματα ευκολότερο να απαντηθούν με τη χρήση κβαντικών αλγορίθμων. Ορισμένες είναι εξίσου εύκολες για τους κλασικούς αλγορίθμους, οι οποίοι εκτελούνται σε συνηθισμένους υπολογιστές, ενώ άλλες είναι δύσκολες τόσο για τους κλασικούς όσο και για τους κβαντικούς.

Για να κατανοήσουν πού οι κβαντικοί αλγόριθμοι και οι υπολογιστές που μπορούν να τους εκτελέσουν μπορεί να προσφέρουν πλεονέκτημα, οι ερευνητές συχνά αναλύουν μαθηματικά μοντέλα που ονομάζονται συστήματα σπιν, τα οποία αποτυπώνουν τη βασική συμπεριφορά των συστοιχιών αλληλεπιδρώντων ατόμων. Στη συνέχεια μπορεί να αναρωτηθούν: Τι θα κάνει ένα σύστημα σπιν όταν το αφήσετε μόνο του σε μια δεδομένη θερμοκρασία; Η κατάσταση στην οποία εγκαθίσταται, η οποία ονομάζεται κατάσταση θερμικής ισορροπίας, καθορίζει πολλές από τις άλλες ιδιότητές του, οπότε οι ερευνητές προσπαθούν εδώ και καιρό να αναπτύξουν αλγορίθμους για την εύρεση καταστάσεων ισορροπίας.

Το κατά πόσον αυτοί οι αλγόριθμοι ωφελούνται πραγματικά από το γεγονός ότι είναι κβαντικής φύσης εξαρτάται από τη θερμοκρασία του εν λόγω συστήματος σπιν. Σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, οι γνωστοί κλασικοί αλγόριθμοι μπορούν να κάνουν εύκολα τη δουλειά. Το πρόβλημα δυσκολεύει όσο η θερμοκρασία μειώνεται και τα κβαντικά φαινόμενα γίνονται ισχυρότερα. Σε ορισμένα συστήματα γίνεται πολύ δύσκολο ακόμη και για τους κβαντικούς υπολογιστές να το λύσουν σε εύλογο χρονικό διάστημα. Αλλά οι λεπτομέρειες όλων αυτών παραμένουν θολές.

«Πότε πηγαίνεις στο χώρο όπου χρειάζεσαι το κβαντικό και πότε πηγαίνεις στο χώρο όπου το κβαντικό δεν σε βοηθάει καν;» αναρωτιέται η Ewin Tang, ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της California, Berkeley, και μία από τους συγγραφείς της νέας έρευνας. «Δεν είναι γνωστά τόσα πολλά».

Τον Φεβρουάριο, η Tang και ο Moitra άρχισαν να σκέφτονται το πρόβλημα της θερμικής ισορροπίας μαζί με άλλους δύο επιστήμονες πληροφορικής του MIT: έναν μεταδιδακτορικό ερευνητή ονόματι Ainesh Bakshi και τον μεταπτυχιακό φοιτητή του Moitra Allen Liu. Το 2023, όλοι τους είχαν συνεργαστεί σε έναν πρωτοποριακό κβαντικό αλγόριθμο για μια διαφορετική εργασία που αφορούσε συστήματα σπιν, και έψαχναν για μια νέα πρόκληση.

Πριν από αυτή την ανακάλυψη του 2023, οι τρεις ερευνητές του ΜΙΤ δεν είχαν εργαστεί ποτέ σε κβαντικούς αλγορίθμους. Το υπόβαθρο τους αφορούσε τη θεωρία μάθησης, ένα υποπεδίο της επιστήμης των υπολογιστών που επικεντρώνεται σε αλγορίθμους για στατιστική ανάλυση. Αλλά όπως όλοι οι φιλόδοξοι νέοι, θεώρησαν τη σχετική τους αφέλεια ως πλεονέκτημα, ως έναν τρόπο να δουν ένα πρόβλημα με φρέσκα μάτια. «Ένα από τα πλεονεκτήματά μας είναι ότι δεν γνωρίζουμε πολλά κβαντικά», δήλωσε ο Moitra. «Η μόνη κβαντική Φυσική που γνωρίζουμε είναι αυτή που μας δίδαξε η Ewin».

Η ομάδα αποφάσισε να επικεντρωθεί σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, όπου οι ερευνητές υποψιάζονταν ότι θα υπήρχαν γρήγοροι κβαντικοί αλγόριθμοι, αν και κανείς δεν είχε καταφέρει να το αποδείξει. Αρκετά σύντομα, βρήκαν έναν τρόπο να προσαρμόσουν μια παλιά τεχνική από τη θεωρία μάθησης σε έναν νέο γρήγορο αλγόριθμο. Καθώς όμως έγραφαν τη δημοσίευση τους, μια άλλη ομάδα βγήκε με ένα παρόμοιο αποτέλεσμα: μια απόδειξη ότι ένας πολλά υποσχόμενος αλγόριθμος που είχε αναπτυχθεί το προηγούμενο έτος θα λειτουργούσε καλά σε υψηλές θερμοκρασίες. Τους πρόλαβαν.

Λίγο απογοητευμένοι που ήρθαν δεύτεροι, η Tang και οι συνεργάτες της άρχισαν να αλληλογραφούν με τον Álvaro Alhambra, έναν Φυσικό στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής στη Μαδρίτη και έναν από τους συγγραφείς της αντίπαλης εργασίας. Ήθελαν να επεξεργαστούν τις διαφορές μεταξύ των αποτελεσμάτων που είχαν επιτύχει ανεξάρτητα. Αλλά όταν ο Alhambra διάβασε ένα προκαταρκτικό προσχέδιο της απόδειξης των τεσσάρων ερευνητών, ανακάλυψε με έκπληξη ότι είχαν αποδείξει κάτι άλλο σε ένα ενδιάμεσο βήμα: Σε οποιοδήποτε σύστημα σπιν σε θερμική ισορροπία, η διεμπλοκή εξαφανίζεται εντελώς πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία. «Τους είπα: “Ω, αυτό είναι πολύ, πολύ σημαντικό”», δήλωσε ο Alhambra.

Η ομάδα αναθεώρησε γρήγορα το προσχέδιο της για να τονίσει το τυχαίο αποτέλεσμα. «Αποδεικνύεται ότι αυτό απλά ξεφεύγει από τον αλγόριθμο μας», δήλωσε ο Moitra. «Παίρνουμε περισσότερα από αυτά που περιμέναμε».

Οι ερευνητές είχαν παρατηρήσει αυτόν τον ξαφνικό θάνατο της διεμπλοκής από τη δεκαετία του 2000, σε πειράματα και προσομοιώσεις σε συνηθισμένους κλασικούς υπολογιστές. Αλλά καμία από αυτές τις προηγούμενες εργασίες δεν είχε καταφέρει να μετρήσει άμεσα την εξαφάνιση της διεμπλοκής. Είχαν επίσης μελετήσει το φαινόμενο μόνο σε μικρά συστήματα, τα οποία δεν είναι και τα πιο ενδιαφέροντα.

«Θα μπορούσε να ήταν ότι για όλο και μεγαλύτερα συστήματα θα έπρεπε να πάτε σε όλο και υψηλότερες θερμοκρασίες για να δείτε την εξάλειψη της διεμπλοκής», δήλωσε ο Alhambra. Σε αυτή την περίπτωση, το φαινόμενο του ξαφνικού θανάτου θα μπορούσε να συμβεί σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες ώστε να είναι άσχετο σε πραγματικά υλικά. Το μόνο προηγούμενο θεωρητικό όριο, από το 2003, άφηνε ανοιχτό αυτό το ενδεχόμενο. Αντίθετα, η Tang και οι συνεργάτες της έδειξαν ότι η θερμοκρασία στην οποία εξαφανίζεται η διεμπλοκή δεν εξαρτάται από τον συνολικό αριθμό των ατόμων στο σύστημα. Το μόνο που έχει σημασία είναι οι λεπτομέρειες των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των κοντινών ατόμων.

Η προσέγγιση που χρησιμοποίησαν στην απόδειξη τους ήταν από μόνη της ασυνήθιστη. Οι περισσότεροι αλγόριθμοι για την εύρεση καταστάσεων θερμικής ισορροπίας είναι εμπνευσμένοι από τον τρόπο με τον οποίο τα πραγματικά φυσικά συστήματα προσεγγίζουν την ισορροπία. Ωστόσο, η Tang και η ομάδα της χρησιμοποίησαν τεχνικές που απέχουν πολύ από την κβαντική θεωρία.

«Αυτό είναι το εκπληκτικό σε αυτή την εργασία», δήλωσε ο Nikhil Srivastava, επιστήμονας υπολογιστών στο Berkeley. «Η απόδειξη αγνοεί κατά κάποιο τρόπο τη Φυσική».

Η απόδειξη των τεσσάρων ερευνητών ότι τα συστήματα σπιν υψηλής θερμοκρασίας δεν έχουν καμία διασύνδεση βοηθά στην εξήγηση ενός άλλου ενδιαφέροντος χαρακτηριστικού του νέου αλγορίθμου τους: Πολύ λίγο από αυτό είναι στην πραγματικότητα κβαντικό. Πράγματι, η έξοδος του αλγορίθμου -μια πλήρης περιγραφή του τρόπου με τον οποίο τα άτομα σε ένα σύστημα σπιν προσανατολίζονται σε θερμική ισορροπία- είναι πολύ δυσκίνητη για να αποθηκευτεί σε μια κλασική μηχανή. Αλλά εκτός από το τελευταίο βήμα που παράγει αυτή την έξοδο, κάθε μέρος του αλγορίθμου είναι κλασικό. «Είναι ουσιαστικά ο πιο τετριμμένος κβαντικός υπολογισμός», δήλωσε ο Liu.

Η Tang έχει μακρά πορεία στην ανακάλυψη αποτελεσμάτων «αποκβάντισης» - αποδείξεων ότι οι κβαντικοί αλγόριθμοι δεν είναι στην πραγματικότητα απαραίτητοι για πολλά προβλήματα. Αυτή και οι συνεργάτες της δεν προσπαθούσαν να το κάνουν αυτό αυτή τη φορά, αλλά η απόδειξη της εξαφανιζόμενης διεμπλοκής στην οποία έφτασαν κατά λάθος, ισοδυναμεί με μια ακόμη πιο ακραία εκδοχή της αποκβάντισης. Δεν είναι μόνο ότι οι κβαντικοί αλγόριθμοι δεν προσφέρουν κανένα πλεονέκτημα σε ένα συγκεκριμένο πρόβλημα που αφορά συστήματα σπιν υψηλής θερμοκρασίας - δεν υπάρχει τίποτα κβαντικό σε αυτά τα συστήματα απολύτως.

Αυτό δεν σημαίνει ότι οι ερευνητές της Κβαντικής Πληροφορικής θα πρέπει να χάσουν την ελπίδα τους. Δύο πρόσφατες εργασίες εντόπισαν παραδείγματα συστημάτων σπιν χαμηλής θερμοκρασίας στα οποία οι κβαντικοί αλγόριθμοι για τη μέτρηση καταστάσεων ισορροπίας υπερτερούν έναντι των κλασικών, αν και μένει να δούμε πόσο διαδεδομένη είναι αυτή η συμπεριφορά. Παρόλο που ο Bakshi και οι συνεργάτες του απέδειξαν ένα αρνητικό αποτέλεσμα, η ανορθόδοξη μέθοδος που χρησιμοποίησαν για να φτάσουν εκεί δείχνει ότι οι γόνιμες νέες ιδέες μπορούν να έρθουν από απροσδόκητα μέρη.

«Μπορούμε να είμαστε αισιόδοξοι ότι υπάρχουν τρελοί νέοι αλγόριθμοι προς ανακάλυψη», δήλωσε ο Moitra. «Και ότι στην πορεία μπορούμε να ανακαλύψουμε κάποια όμορφα μαθηματικά».

[via]