Πειράματα αρχίζουν να δείχνουν ότι μια κβαντική κατάσταση «παγωμένη» για πάντα μπορεί να μην είναι αδύνατη, παρά όσα υπαγορεύει η θερμοδυναμική. Αν καταφέρουμε να τη δαμάσουμε, θα μπορούσε να ανοίξει τον δρόμο για εντελώς νέους τύπους ύλης.
Σε αυτές τις θεωρητικά «αιώνιες» κβαντικές καταστάσεις, τα σωματίδια ανακλώνται ξανά και ξανά, σαν σε μια ατελείωτη αίθουσα με καθρέφτες. Η ιδέα ότι τίποτα δεν διαρκεί για πάντα ισχύει στον κόσμο της καθημερινότητας, αλλά στο κβαντικό πεδίο τα πράγματα λειτουργούν διαφορετικά.
Εδώ και σχεδόν 70 χρόνια, οι φυσικοί αναζητούν την «κβαντική αιωνιότητα»: μια διάταξη ατόμων όπου οι κβαντικές καταστάσεις παγώνουν επ’ αόριστον, σαν φως που αναπηδά σε έναν ατέρμονα λαβύρινθο καθρεφτών. Μια τέτοια απόδειξη δεν θα ήταν μόνο ορόσημο για την επιστήμη· θα είχε και πρακτική αξία. Κβαντικές καταστάσεις που διαρκούν για πάντα – ή έστω για πολύ μεγάλο χρόνο – μπορεί να επιτρέψουν εντελώς νέες φάσεις ύλης και να στηρίξουν ισχυρούς κβαντικούς υπολογιστές. «Θα άνοιγε μια εντελώς νέα κατηγορία φάσεων που διαφορετικά είναι αδύνατες», λέει ο μαθηματικός φυσικός Wojciech De Roeck του KU Leuven στο Βέλγιο.
Υπάρχει, όμως, ένας σοβαρός λόγος που η «αιωνιότητα» έμοιαζε πάντα άπιαστη. Η θερμοδυναμική, ένας από τους βασικούς πυλώνες της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής, επιμένει ότι οι λεπτομέρειες τελικά «σβήνουν». Μέχρι πρόσφατα, οι προσπάθειες μελέτης της κβαντικής αιωνιότητας φάνηκε να επιβεβαιώνουν αυτή την αλήθεια. Τώρα, ισχυρά πειράματα υπονοούν ότι ο στόχος ίσως δεν είναι ακατόρθωτος.
Ένας βασικός κανόνας της πραγματικότητας είναι ότι τα πράγματα γίνονται πιο ατακτοποίητα με τον χρόνο, αν δεν δαπανηθεί ενέργεια για να παρέμβουμε. Αυτό εξηγεί γιατί το γάλα και ο καφές αναμειγνύονται σε ένα ομοιόμορφο μπεζ. Γενικότερα, κάθε σύστημα τείνει να θερμικοποιείται: τα μέρη του αναμιγνύονται και καταλήγουν σε μέσους όρους.
Με βάση αυτό, τίποτα δεν θα έπρεπε να αντέχει για πάντα. Το 1958, όμως, ο φυσικός Philip Anderson πρότεινε μια αξιοσημείωτη εξαίρεση στον κόσμο των υλικών. Φανταστείτε το εσωτερικό ενός υλικού σαν πλέγμα ατόμων με μεγαλύτερη ή μικρότερη τάξη. Οι κρύσταλλοι έχουν αυστηρά επαναλαμβανόμενο τρισδιάστατο μοτίβο, ενώ σε γυαλιά τα άτομα είναι έντονα ατάκτως διατεταγμένα. Σε τέτοια πλέγματα κινούνται σωματίδια και κύματα, όπως ηλεκτρόνια ή φως.
Ο Anderson φαντάστηκε ένα κρύσταλλο με λίγη αταξία – προσμίξεις ή άτομα ελαφρώς εκτός θέσης. Σε ορισμένες διατάξεις, ένα ηλεκτρόνιο-κύμα θα σκεδάζεται συνεχώς από την αταξία, με τέτοιο τρόπο ώστε οι κυματισμοί να αλληλοεξουδετερώνονται και το ηλεκτρόνιο να μην προχωρά. Το σωματίδιο θα παγιδεύεται: μια κβαντική κατάσταση παγωμένη στον χρόνο, τουλάχιστον μέχρι να πάψει να υπάρχει το υλικό. Ο Anderson το έδειξε θεωρητικά και μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1977. Αργότερα, πειράματα τον δικαίωσαν, αλλά σε απλουστευμένα σύνολα ατόμων όπου τα σωματίδια δεν αλληλεπιδρούσαν όπως στον πραγματικό κόσμο.
Ο ίδιος υπέθεσε ότι το φαινόμενο θα μπορούσε να συμβεί και στα «ακατάστατα» πραγματικά υλικά, όπου τα σωματίδια σπρώχνουν και ανταλλάσσουν ενέργεια. Η ιδέα ότι μια παγιδευμένη κατάσταση θα μπορούσε να παραμένει «κλειδωμένη» παρότι υπάρχουν αλληλεπιδράσεις ονομάστηκε many-body localisation (MBL). «Το χάος θα έπρεπε να είναι παντού. Περίπου αναπόδραστο», λέει ο De Roeck. «Ωστόσο, αυτά τα συστήματα με many-body localisation δεν εμφανίζουν χάος».
Το 2006 ήρθε η πρώτη σοβαρή ένδειξη ότι το MBL ίσως είναι εφικτό. Οι Denis Basko (Princeton University), Igor Aleiner και Boris Altshuler (Columbia University, Νέα Υόρκη) ανέπτυξαν μια μαθηματική περιγραφή αγώγιμου υλικού όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται άνετα. Έδειξαν ότι αυξάνοντας την αταξία, τα ηλεκτρόνια μπορούν να παγιδευτούν, δημιουργώντας MBL και μετατρέποντας τον αγωγό σε μονωτή.
Αν και δεν ήταν πείραμα, το MBL κέρδισε έδαφος. Το σημαντικότερο: αν υλοποιηθεί πλήρως, θα μπορούσε να αλλάξει θεμελιωδώς τις ιδιότητες των υλικών και να γεννήσει νέες φάσεις ύλης. Ένα παράδειγμα είναι ο «time crystal», που πρότεινε το 2012 ο Frank Wilczek, ενώ υπάρχουν και άλλες πιθανές εφαρμογές, από αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας έως εξαιρετικά ακριβή ρολόγια.
Όμως αυτές οι παράξενες καταστάσεις, όταν εντοπίζονται, δεν διαρκούν. Για να επιμείνουν, χρειάζεται πλήρης MBL. «Έχουν ήδη εξερευνηθεί πολλά μονοπάτια, αλλά κρέμεται μια αμφιβολία από πάνω τους», λέει ο μαθηματικός φυσικός François Huveneers του King’s College London.
Την τελευταία δεκαετία, οι αμφιβολίες εντάθηκαν γύρω από δύο ενστάσεις: κλίμακα και χρόνος. Ίσως το MBL να επιτυγχάνεται σε μια μικρή γωνιά υλικού, αλλά η θερμοδυναμική επιτρέπει τοπικές εξαιρέσεις, όχι συνολικά. Για να αμφισβητήσει τους κανόνες, το MBL πρέπει να επιβιώνει σε μεγάλα κομμάτια υλικού. Επίσης, ακόμη κι αν δούμε εντοπισμό για 10 λεπτά, μια ώρα ή μια μέρα, πώς εγγυόμαστε ότι δεν θα χαθεί λίγο αργότερα;
Το 2018, οι De Roeck και Huveneers εντόπισαν κάτι κρίσιμο για την κλίμακα. Για MBL, η αταξία πρέπει να διαπερνά το υλικό. Στην πράξη, όμως, θα υπάρχουν πάντα μικρές, ασυνήθιστα «καθαρές» νησίδες όπου τα σωματίδια κινούνται και μοιράζονται ενέργεια. Απέδειξαν μαθηματικά ότι αυτές οι νησίδες μπορούν να «ταΐσουν» ενέργεια στις παγωμένες περιοχές, διαταράσσοντας το MBL. Το φαινόμενο εξαπλώνεται γρήγορα, σβήνοντας τις παγωμένες κβαντικές καταστάσεις. Το ονόμασαν thermal avalanche και έθεσε σοβαρά ερωτήματα για την αντοχή του MBL σε πραγματικά υλικά.
Ξεχωριστά, τίθεται το ζήτημα του χρόνου. Μπορεί να υπάρχουν μηχανισμοί που διαλύουν το MBL μόνο αν τους αφήσουμε αρκετά; Το 2024, οι Nicolas LaFlorencie, Fabien Alet και Jeanne Colbois (University of Toulouse, Γαλλία) εντόπισαν τις λεγόμενες «συντονίσεις» ως πιθανό μηχανισμό. Σε υλικά με MBL, τα άτομα συνήθως μένουν «κλειδωμένα» σε συγκεκριμένες κβαντικές ιδιότητες. Το κλείδωμα όμως σπάνια είναι τέλειο. Οι ιδιότητες μεταβάλλονται ελάχιστα με τον χρόνο και το υλικό μπορεί να βρεθεί σε μια εντελώς διαφορετική διάταξη με ακριβώς την ίδια ενέργεια. Τότε οι δύο καταστάσεις «συντονίζονται» και αυτό μπορεί να υπονομεύσει τις άθικτες περιοχές MBL.
Παρά τα παραπάνω, τα πρόσφατα πειράματα δίνουν πιο αισιόδοξες ενδείξεις. Οι περισσότεροι υπολογισμοί για το MBL προέρχονται από προσομοιώσεις, που γρήγορα γίνονται υπερβολικά πολύπλοκες. Η προφανής λύση είναι τα πραγματικά πειράματα, αλλά απαιτούν προετοιμασία εύθραυστων κβαντικών καταστάσεων, ακριβή έλεγχο της αταξίας και παρατήρηση χωρίς να «ξεπλένεται» το φαινόμενο. Μόνο πρόσφατα, πειράματα με υπερψυχρά άτομα, παγιδευμένα ιόντα και υπεραγώγιμα qubits –τα δομικά στοιχεία των κβαντικών υπολογιστών– απέκτησαν την απαιτούμενη ακρίβεια.
Αυτή η στροφή αλλάζει το πεδίο. Σε μελέτη του 2025, ο Junhyeok Hur (Korea Advanced Institute of Science and Technology) και η ομάδα του εξέτασαν MBL σε πραγματικές διατάξεις υπερψυχρών ατόμων μεγέθους έως πλέγμα 24 επί 24. «Πρόκειται για πείραμα σε σύστημα με μέγεθος και χρονική κλίμακα μεγαλύτερα απ’ ό,τι μπορούμε να πετύχουμε στις προσομοιώσεις», λέει ο Alet, που δεν συμμετείχε. Ο ίδιος και ο LaFlorencie εργάζονται στην αιχμή των προσομοιώσεων, οι οποίες αρχίζουν να «ζορίζονται» γύρω στα δύο ντουζίνες σωματίδια.
Η ομάδα του Hur συνέκρινε δύο είδη αταξίας. Στην πρώτη περίπτωση, κάθε άτομο είχε εντελώς τυχαία ενέργεια, δημιουργώντας «μωσαϊκό» με ισχυρά ατάκτες περιοχές και ασυνήθιστα καθαρές «λωρίδες» – ακριβώς τα σπάνια «μπαλώματα» που μπορούν να σπείρουν θερμικοποίηση. Στη δεύτερη, η αταξία ακολουθούσε μια σχεδόν τυχαία (quasi-periodic) δομή, χωρίς καθόλου τακτικές νησίδες.
Καθώς δοκίμαζαν ολοένα μεγαλύτερες διατάξεις, η αντίθεση έγινε σαφής. Με τυχαία αταξία, τα μεγαλύτερα συστήματα χρειάζονταν όλο και ισχυρότερη αταξία για να μείνουν εντοπισμένα – σημάδι ότι το MBL «ξεπλένεται» με την αύξηση της κλίμακας. Με σχεδόν περιοδική αταξία, το κατώφλι για εντοπισμό άλλαζε ελάχιστα. Η υπόνοια είναι ότι η «δομημένη» αταξία μπορεί να σταθεροποιεί το MBL όσο μεγαλώνει η κλίμακα, λέει ο Alet.
Ο Amos Chan (University of Warwick), μέλος της ομάδας, σημειώνει ότι δεν είναι ακόμη σαφές τι οδηγεί τη θερμικοποίηση στην τυχαία αταξία – αν πρόκειται για «χιονοστιβάδες», συντονίσεις ή κάτι άλλο. Νεότερα δεδομένα μετά τη δημοσίευση, πάντως, ενισχύουν την εμπιστοσύνη ότι ο εντοπισμός μπορεί να επιμένει σε δισδιάστατες διατάξεις όταν η αταξία ελέγχεται προσεκτικά, λέει. Δεν πρόκειται για οριστική απόδειξη MBL, αλλά δείχνει τη σημασία της νέας γενιάς πειραματικών κβαντικών συστημάτων: μπορούν να δοκιμάσουν αν το MBL επιβιώνει απέναντι σε αυτό που ίσως το καταστρέφει – την κλίμακα.
Σε δεύτερο πείραμα, που δημοσιεύτηκε λίγο αργότερα από την ομάδα κβαντικής υπολογιστικής της Google, μελετήθηκαν συστήματα έως 70 υπεραγώγιμων qubits. Σε μέτρια αταξία, το σύστημα κατέληγε σε μια ενδιάμεση, «γυάλινη» κατάσταση – όχι ακριβώς MBL, αλλά κάτι που αντιστεκόταν παρ’ όλα αυτά στη θερμικοποίηση, γνωστό ως quantum glass.
Τα νέα αυτά αποτελέσματα δεν «καταργούν» τη θερμοδυναμική. Υποδεικνύουν όμως ότι, με προσεκτικό σχεδιασμό και έλεγχο της αταξίας, η αναζήτηση μιας κβαντικής κατάστασης που αντέχει εξαιρετικά στον χρόνο ίσως είναι πιο κοντά από όσο νομίζαμε.
