Echipament laserUn pendul gravitaţional deţine două puncte de echilibru: unul stabil, atârnând în lungul verticalei, sub punctul de fixare, şi celălalt, instabil, în poziţie inversă. Pentru această din urmă poziţie, denumită "pendul invers", o deviaţie oricât de mică este suficientă pentru a cauza o trecere către starea stabilă.

 

 

Se ştie de mai bine de 100 de ani că un pendul invers poate fi stabilizat prin vibraţia punctului de sprijin. Acest fenomen neintuitiv este cunoscut sub denumirea de "stabilizare dinamică", având o multitudine de aplicaţii ce includ capcane de particule încărcate electric, spectrometre de masă şi acceleratoare de particule de mare energie.

Sistemele cuantice de tip ansamblu (ansambluri cuantice) pot fi plasate în stări de echilibru instabil, analog pendulului invers din fizica clasică, având ulterior evoluţii departe de echilibru. Cercetătorii de la Institutul de Tehnologie din Georgia au găsit o cale de menţinere a sistemului cuantic în starea sa instabilă prin excitarea lui cu un tren de impulsuri de microunde - analogul cuantic al vibraţiei punctului de echilibru în cazul pendulului invers clasic.

Într-un experiment care ar putea avea implicaţii majore în domeniul computerelor şi simulatoarelor, cercetătorii au utilizat impulsuri de microunde cu amplitudini şi frecvenţe variabile, pentru a controla un sistem cuantic compus dintr-un ansamblu de circa 40.000 de atomi de rubidiu răcit aproape de zero absolut.

Rezultatele cercetării sponsorizată de National Science Foundation, au fost publicate online pe data de 27 august în Physical Review Letters, descriind experimentele de stabilizare dinamică a unui sistem de tip ansamblu cuantic, urmând ca printul să apară pe 30 august.

"În această lucrare am demonstrat că putem controla dinamica cuantică a unui ansamblu de atomi menţinuţi în configuraţie de non-echilibru, analog cu situaţia pendulului invers", a declarat Michael Chapman, profesor la Georgia Tech School of Physics. "Ceea ce controlăm de fapt este spinul, care face ca fiecare atom să capete un moment magnetic propriu. Spinii sunt orientaţi într-un câmp magnetic extern, împotriva tendinţei lor implicite de aşezare după poziţia de echilibru."

Matematic, starea atomilor de rubidiu este în mod virtual identică cu cea a unui pendul simplu, ceea ce înseamnă că Chapman, împreună cu studenţii săi, controlează ceea ce poate fi numit un "pendul invers cuantic".

În experimentele lor, cercetătorii au plecat de la starea condensată a unui ansamblu atomic Bose-Einstein de spin 1 (BEC), iniţial instabilă, fixată într-un punct cu spin nematic din spaţiul stărilor, stare comparabilă cu a unui pendul invers. Permiţând o evoluţie liberă, interacţiunile inter-atomice dau naştere unui amestec cuantic de spini şi, eventual, o tendinţă de relaxare către starea stabilă, comparabilă cu cea a unui pendul în poziţia sa de echilibru.

Prin aplicarea periodică de trenuri de microunde, cercetătorii au reuşit să rotească fluctuaţiile de spin ale ansamblului, stopând tendinţa de amestec al stărilor şi de relaxare către stabilitate. Cercetările pe diverse domenii ale perioadei pulsurilor şi deplasărilor de fază, au determinat obţinerea unei hărţi a diagramei de stabilitate ce coincide cu deducţiile teoretice.

"Efectul net este că ansamblul cuantic revine practic la starea iniţială", spune Chapman. "Se inversează astfel starea condensată şi după trecerea prin starea de amestec de stări cuantice, se revine către echilibru. Aplicând această secvenţă în mod periodic, putem menţine starea condensată Bose-Einstein în stare instabilă, în mod indefinit."

Această tehnică de control diferă de cea a reacţiei active, care determină tendinţa de modificare a direcţiei spinilor sistemului cuantic şi aplică mici corecţii de revenire. Tehnica de tip "buclă deschisă" utilizată de echipa lui Chapman implică o intrare constantă, invariabilă cu dinamica sistemului controlat.

"Excităm continuu sistemul, ţinându-l într-o stare în care acesta nu doreşte să fie", spune cercetătorul. "Este pentru prima dată când suntem capabili să stabilizăm un ansamblu cuantic împotriva tendinţelor sale naturale de evoluţie."

Ţinta comunităţii ştiinţifice în ultimii zece ani a fost controlarea şi manipularea sistemelor cuantice uni-particulă sau a sistemelor de simple ansambluri de atomi, electroni şi fotoni. Aceste teste au constituit fundamentul dezvoltării unor tehnologii ca cea a laserelor, a imagisticii bazate pe rezonanţă magnetică, a ceasurilor atomice şi a unor noi tipuri de senzori de câmp magnetic şi ghidare inerţială.

Astăzi, cercetătorii încep să studieze sisteme mult mai complexe, implicând ansambluri mari de microparticule în interacţiune, cu mii de componente. Chapman şi grupul său de studiu speră să extindă cunoştinţele asupra unor astfel de sisteme complexe, fapt ce va conduce la dezvoltarea sistemelor de calcul cuantic, de simulare cuantică şi la ameliorarea tehnicilor de măsurare.

"Pe termen lung, scopul nostru este de a înţelege mai bine mecanismele cuantice şi de a dezvolta noi tehnologii care să exploateze realitatea contra-intuitivă a lumii cuantice", spune Chapman. "Ansamblurile cuantice sunt tot mai mult explorate, iar unul din lucrurile pe care ni le dorim este controlarea lor. Şi cred că unul dintre cele mai elocvente exemple în acest sens este controlul acestora în cazul configuraţiilor instabile." 

Traducere de George Mahalu după quantum-inverted-pendulum-scheme-dynamically cu acordul editorului

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.