Vědci konečně rozluštili „slepé místo“ kvantové fyziky: Proč se systémy hroutí v femtosekundách?

Kvantové systémy se nezhroutí potichu; kolabují bleskově. Během kratší doby, než světlo urazí vzdálenost viru, se pečlivě uspořádaný kvantový stav může rozpadnout a ztratit soudržnost, která činí kvantové technologie tak výkonnými.

Kvantové systémy se nezhroutí potichu; kolabují bleskově. Během kratší doby, než světlo urazí vzdálenost viru, se pečlivě uspořádaný kvantový stav může rozpadnout a ztratit soudržnost, která činí kvantové technologie tak výkonnými. Po léta byl tento ultrarychlý rozpad, probíhající během pouhých jedné až dvou femtosekund (10^-15 sekundy), jedním z nejtvrdohlavějších „slepých míst“ fyziky. Vědci věděli, že je spuštěn vlivem reálného světa, ale přesná mikroskopická příčina zůstávala nepolapitelná.

Nová studie nyní konečně odhaluje, co se děje v tomto prchavém okamžiku, a nabízí vzácný pohled na střet kvantové teorie s realitou – a cestu k tomu, aby kvantové technologie skutečně fungovaly i mimo laboratoř. Autoři studie poznamenávají, že tato práce by mohla mikroskopicky vysvětlit extrémně rychlou dekoherenci elektronů a měla by být milníkem pro disipativní dynamiku elektronů v korelovaných elektronových systémech, čímž posune vpřed další generaci kvantových technologií.

Jádrem záhady je překvapivý jev – generování vysokých harmonických (HHG). Když intenzivní světelný puls zasáhne pevnou látku, nutí elektrony do extrémního pohybu, což produkuje světlo s vyšší energií a ultrarychlé pulsy. Tyto signály jsou nesmírně cenné pro zkoumání materiálů a vytváření optických nástrojů nové generace. Téměř okamžitě po zahájení tohoto procesu však začíná mizet kvantový řád systému.

Více než deset let se vědci snažili vysvětlit tuto rychlou dekoherenci pomocí zjednodušených modelů, které kvantové systémy považovaly za téměř izolované. Tento předpoklad sice usnadnil výpočty, ale tiše ignoroval zásadní pravdu – reálné systémy nikdy nejsou samy. Neustále interagují se svým okolím a tyto interakce nelze ignorovat. K překonání tohoto problému se autoři studie obrátili k realističtějšímu rámci postavenému na Lindbladově hlavní rovnici.

„Využíváme Lindbladovu rovnici v kombinaci s 1D Hubbardovým modelem a zkoumáme dynamiku elektronů HHG v disipativním otevřeném kvantovém systému,“ dodali autoři studie. Na rozdíl od konvenčních přístupů je tato metoda navržena tak, aby zvládala otevřená kvantová prostředí, kde si částice neustále vyměňují energii a informace se svým okolím.

S tímto novým modelem tým zaměřil pozornost na dva klíčové efekty, které se objevují během HHG: superradiance, kdy elektrony emitují světlo kolektivně, a širokopásmovou emisi, kdy se světlo šíří v širokém rozsahu energií. Oba jevy byly studovány dříve, ale většinou izolovaně. Průlom nastal, když vědci zkoumali oba dohromady. Místo pouhé koexistence se tyto dva procesy navzájem ovlivňují. Jejich překrývající se signály vytvářejí jemný efekt zrušení – jako vlny, které se srážejí mimo synchronizaci – což rychle ničí kvantovou koherenci systému.