Науковці з Віденського технічного університету (TU Wien) та Інституту науки і технологій Окінави (OIST) зробили прорив у квантовій фізиці, продемонструвавши явище, яке ще донедавна вважалося неможливим. У лабораторних умовах їм вдалося отримати стабільний квантовий мікрохвильовий сигнал, що підтримує себе сам — без зовнішніх джерел енергії чи керування.
Коли квантовий хаос працює на результат
У центрі відкриття — ефект надвипромінювання (superradiance). Зазвичай він проявляється як короткий, потужний спалах світла, коли група квантових частинок синхронно випромінює енергію. Такий процес швидко згасає, адже система втрачає енергію й переходить у спокійніший стан.
Однак цього разу дослідники спостерігали зовсім іншу картину. Після початкового спалаху система почала генерувати вузькі, чіткі та довготривалі мікрохвильові імпульси, які з’являлися знову і знову. І все це — без жодного зовнішнього «підживлення».
«Найдивніше те, що на перший погляд хаотичні взаємодії між квантовими спінами не руйнують сигнал, а навпаки — підтримують його», — пояснює Венцель Керстен, постдокторант TU Wien. За його словами, система ніби сама організовує себе, перетворюючи безлад на надзвичайно точне мікрохвильове випромінювання.
Діаманти, спіни та мікрохвилі
Для експерименту команда використала алмази з так званими NV-центрами — атомними дефектами, в яких електронні спіни можуть зберігати квантову інформацію. Ці спіни помістили в мікрохвильовий резонатор, де вони почали взаємодіяти між собою та з електромагнітним полем.
Саме ці внутрішні взаємодії, як показало комп’ютерне моделювання, постійно «перезапускають» процес випромінювання. Спіни знову і знову переходять між енергетичними рівнями, підтримуючи тривалий квантовий сигнал.
«Ми фактично відкрили новий режим колективної квантової поведінки», — зазначає професор OIST Вільям Манро. — «Це не просто випадкові імпульси, а впорядкований процес, який сам себе підтримує».
Що це означає для майбутніх технологій
На думку дослідників, відкриття може суттєво змінити підхід до створення квантових пристроїв. Раніше вважалося, що взаємодії між частинками заважають збереженню квантових ефектів. Тепер же з’ясувалося, що їх можна використовувати як джерело стабільності.
«Ми показали, що те, що колись вважали проблемою, може стати ресурсом», — каже Кае Немото, директорка Центру квантових технологій OIST.
Потенційні застосування — від надточних квантових сенсорів до нових систем зв’язку. Такі сенсори можуть виявляти надзвичайно слабкі зміни магнітних або електричних полів, що відкриває перспективи для медицини, матеріалознавства та екологічного моніторингу.
«Глибше розуміння квантових процесів рано чи пізно переходить у практичні інструменти», — підсумовує професор TU Wien Йорг Шмідмаєр. — «І це відкриття — ще один крок до нової генерації технологій».
Результати дослідження опубліковані в науковому журналі Nature Physics.