Istraživanje ruđerovaca otkriva tajne sprezanja čestica

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

U novom istraživanju objavljenom u uglednom časopisu 'Quantum' znanstvenici su utvrdili da osnovna struktura povezivanja, odnosno sprezanja čestica u kvantnim sustavima, ne pruža potpun uvid u njihovu kasniju vremensku evoluciju. Povrh toga, utvrdili su 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.

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, a u njenom središtu je 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 navedene napredne kvantne tehnologije.

Znanstvenici su dugo smatrali da mogu predvidjeti kako iskoristiti ovo 'sprezanje' te kako 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 magnetim 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," objašnjava dr. sc. Jovan Odavić, poslijedoktorand u Grupi za teorijsku kemiju IRB-a.

Kvantni preokret?

Kada su znanstvenici proučavali način sprezanja ovih čestica, otkrili su zanimljivu činjenicu. Naime, pokazalo se da dinamika sprezanja nije određena samo načinom kojim se manipulira česticama, već 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. Još zanimljivije, te faze su 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, objašnjava dr. Salvatore Marco Giampolo, dopisni autor na radu.

Multidisciplinarni istraživački tim koji stoji iza ovog istraživanja uz dr. Odavića i dr. Giampaola uključuje i dr. Fabia Franchinija  i dr. Gianpaola Torrea iz Grupa za fiziku kondenzirane tvari i statističku fiziku IRB-a, te doktoranda Nenada Mijića i dr. Davora Davidovića iz Centra za informatiku i računarstvo IRB-a. 

Ovo istraživanje zahtijevalo je 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.