Вместо постепенного затухания, квантовый порядок разрушается конкурирующими световыми сигналами — подобно тому, как волны мгновенно взаимно компенсируют друг друга.
Квантовые системы не выходят из строя незаметно; они коллапсируют мгновенно. За время, меньшее, чем требуется свету для пересечения вируса, тщательно упорядоченное квантовое состояние может разрушиться, потеряв ту самую когерентность, которая делает квантовые технологии такими мощными.
В течение многих лет этот сверхбыстрый сбой, происходящий всего за одну-две фемтосекунды (10-15 секунд), оставался одним из самых трудноразрешимых вопросов в физике. Ученые знали, что он запускается проникновением реального мира, но точная микроскопическая причина оставалась недоступной для изучения.
Новое исследование наконец-то раскрывает, что происходит в этот мимолетный момент, предлагая редкую возможность увидеть столкновение квантовой теории с реальностью — и путь к тому, чтобы квантовые технологии действительно работали за пределами лаборатории.
«Настоящая работа может объяснить чрезвычайно быструю дефазировку электронов на микроскопическом уровне и должна стать важной вехой в изучении диссипативной многочастичной динамики электронов в коррелированных электронных системах, способствуя развитию квантовых технологий следующего поколения», — отмечают авторы исследования.
Преследование исчезающего сигнала
В основе этой загадки лежит удивительное явление — генерация гармоник высокого порядка (ГГН). Когда интенсивный всплеск света попадает на твердое тело, он приводит электроны в экстремальное движение, производя свет с более высокой энергией и сверхбыстрые импульсы.
Эти сигналы невероятно ценны для исследования материалов и создания оптических инструментов следующего поколения. Однако, почти сразу после начала этого процесса, квантовый порядок системы начинает разрушаться.
Более десяти лет исследователи пытались объяснить эту быструю декогеренцию, используя упрощенные модели, которые рассматривали квантовые системы как почти изолированные. Это предположение делало математические вычисления управляемыми, но оно незаметно игнорировало важнейшую истину — реальные системы никогда не бывают одинокими.
Они постоянно взаимодействуют с окружающей средой, и эти взаимодействия нельзя игнорировать. Чтобы преодолеть это, авторы исследования обратились к более реалистичной модели, построенной на основе основного уравнения Линдблада.
«Мы используем уравнение Линдблада в сочетании с одномерной моделью Хаббарда и исследуем динамику электронов при генерации высоких гармоник в диссипативной открытой квантовой системе», — добавили авторы исследования.
В отличие от традиционных подходов, этот метод предназначен для работы в открытых квантовых средах, где частицы постоянно обмениваются энергией и информацией с окружающим миром.
Используя этот подход, авторы исследования смогли отслеживать не только взаимодействие электронов друг с другом, но и то, как на них влияет окружающая среда в режиме реального времени.
Когда сталкиваются легкие процессы
С помощью этой новой модели команда сосредоточилась на двух ключевых эффектах, которые наблюдаются во время генерации высоких гармоник: сверхизлучении, при котором электроны испускают свет коллективно, и широкополосном излучении, при котором свет распространяется в широком диапазоне энергий.
Оба процесса изучались и раньше, но в основном по отдельности. Прорыв произошел, когда исследователи рассмотрели их вместе. Вместо того чтобы просто сосуществовать, эти два процесса мешают друг другу.
Перекрывающиеся сигналы создают едва заметный эффект взаимного подавления — подобно волнам, разбивающимся несинхронно, — который быстро уничтожает квантовую когерентность системы.
«Широкополосное излучение и сверхизлучение Дике фактически более или менее перекрываются, в результате чего два пути распространения излучения могут сильно взаимодействовать друг с другом разрушительным образом», — заявили авторы исследования.
Это показало, что потеря квантового порядка — это не просто пассивный распад, а активный процесс, обусловленный конкурирующими взаимодействиями, усиливаемыми связью системы с окружающей средой. Таким образом, взаимодействия с окружающей средой не просто неизбежны — они коренным образом формируют поведение квантовых систем.
Однако существенным ограничением данного исследования является то, что его результаты получены на основе сложных симуляций, а реальные материалы могут вносить дополнительные сложности. Следующим шагом станет экспериментальная проверка этих идей и расширение предложенной методики на более практичные системы.
Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Science.
Sourse: interestingengineering.com
