Nawet najbardziej chaotyczne układy kwantowe zachowują ślad swojego stanu początkowego – wynika z nowych analiz. Zdaniem badaczy ta swoista „pamięć” może być uniwersalną cechą układów kwantowych.

Naukowcy z amerykańskiego Harvard University z kolegami z innych ośrodków badawczych, na łamach magazynu „Physical Review”  informują, że nawet najbardziej chaotyczne układy kwantowe zachowują ślad własnej przeszłości, który nigdy nie zanika.

Aby wyjaśnić, na czym polega to zagadnienie, podają przykład kropli mleka wpuszczanej do filiżanki herbaty i jej zamieszanie. Już po chwili nie da się ustalić, gdzie dokładnie trafiła – powstający wir rozmywa się, rozprzestrzenia i wyrównuje, a obserwacja filiżanki nie pozwoli odtworzyć początkowego położenia kropli.

– W codziennym świecie chaos zaciera wszelkie ślady przeszłości. Odkryliśmy natomiast, że układy kwantowe nie potrafią ukryć swojego pochodzenia, nawet pośród chaosu – podkreśla dr Joonas Keski-Rahkonen z fińskiego Uniwersytetu w Tampere, jeden z głównych autorów badania.

W badaniach zespół wykorzystał jeden z klasycznych modeli stosowanych w fizyce – kulkę odbijającą się bez końca od zakrzywionych ścian stołu i za każdym razem zmieniającą kierunek ruchu. Jak tłumaczą, można to sobie wyobrazić jako stół bilardowy z zaokrąglonymi końcami, który fizycy nazywają „stadionem”. Po odpowiednio długim czasie odwiedzi ona każdy fragment stołu i nie pozostanie żadna wskazówka, skąd rozpoczęła ruch.

Kiedy naukowcy przeanalizowali tego typu ruch fali kwantowej – tzw. pakietu falowego - niemal natychmiast przekształciła się ona w układ, który w dowolnej chwili wyglądał na całkowicie przypadkowy. 

Jednak uśrednienie tego pozornie chaotycznego ruchu w bardzo długim czasie ujawniło wyraźne uprzywilejowanie własnej początkowej historii układu – prawdopodobieństwo znalezienia go ponownie w jego pierwotnym stanie pozostawało co najmniej dwukrotnie większe niż w jakimkolwiek innym porównywalnym stanie.

Co więcej, to uprzywilejowanie nie zanika – utrzymuje się tak długo, jak długo układ zachowuje charakter kwantowy.

Eksperci przypominają, że już w 1984 roku prof. Eric Heller z Uniwersytetu Harvarda i współautor nowego badania, odkrył, że układy kwantowe czasami zachowują zaskakująco wyraźne ślady powtarzających się trajektorii. Zjawisko to, znane jako kwantowe blizny (quantum scarring), przez długi czas uważano jednak za rzadki wyjątek.

Nowe wyniki wskazują, że każdy układ kwantowy zachowuje tego typu znamię swoich początków.

Naukowcy chcą wykorzystać swoje odkrycie do stworzenia ogólnego sposobu badania, jak wiele z własnej historii układ kwantowy jest w stanie rzeczywiście zapomnieć.

Wyniki mogą nie tylko wartość poznawczą.

–  Odkrycie znaczenie wykraczające poza podręcznikową fizykę. Dotyczy tego, w jaki sposób układy kwantowe dochodzą do równowagi oraz jak z praw mechaniki kwantowej wyłania się znany nam świat klasyczny. Co więcej, współczesne symulatory kwantowe i urządzenia nanoelektroniczne są już na tyle małe, że takie efekty mają praktyczne znaczenie. Istotne jest na przykład to, że układ, który po cichu zachowuje pamięć swojego stanu początkowego, zachowuje się inaczej niż taki, który ją traci – mówi dr Keski-Rahkonen.

Marek Matacz (PAP)

mat/ agt/