Overtrædelse af den eksponentielle henfaldslov opdaget i åbne kvantesystemer

(Phys.org) - Lige siden kvantemekanikkens tidlige dage, forfaldsdynamikken for ustabile kvantesystemer har været antaget at følge en eksponentiel henfaldslov, ligesom den, der bruges til at beskrive radioaktivt henfald og mange andre naturlige processer. Den eksponentielle lov i kvanteområdet blev oprindeligt foreslået af George Gamow og senere udviklet af Eugene Wigner og Victor Weisskopf. Ifølge denne lov, når der gives en prøve af ustabile atomer, antallet af dem, der sandsynligvis vil henfalde i løbet af en kort periode, er proportionalt med antallet af tilstedeværende atomer.

I årene siden da, imidlertid, fysikere har fundet ud af, at afvigelser fra den eksponentielle lov kan forekomme i ustabile kvantesystemer, men kun i dem, der er isoleret fra det ydre miljø. Dette skyldes, at isolerede systemer er fri for miljømæssig dekoherens, hvilket gør det muligt for kvanteforfaldsprodukterne at rekonstruere sig selv tilbage til deres initial, forfaldne stater. Følgelig, forfaldet er i første omgang langsommere end det, der er forudsagt af den eksponentielle lov, og i de senere faser, henfaldet udviser ofte en magtlovsadfærd. Forskere har tidligere vist, at dette ikke-eksponentielle henfald kan udnyttes til kvantekontrol.

Nu i en ny undersøgelse, fysikere har teoretisk vist, at kvanteforfaldsprocesser kan afvige fra den eksponentielle henfaldslov ikke kun, når systemet er isoleret, men også når den er i kontakt med det ydre miljø. Resultaterne tyder på, at et ustabilt kvantesystem kan henfalde og derefter vende tilbage til dets oprindelige tilstand, selv i nærvær af miljømæssig dekoherens.

Fysikerne, ledet af Adolfo del Campo ved University of Massachusetts, og herunder kolleger ved University of Basque Country og Aberystwyth University, har udgivet en artikel om eksistensen af ​​ikke-eksponentielt kvantehenfald i åbne systemer i et nyligt nummer af Fysisk gennemgangsbreve .

"Tidligere undersøgelser har argumenteret for, at afvigelser fra den eksponentielle lov var fraværende i realistiske 'åbne' kvantesystemer, på grund af deres kontakt med miljøet (alt i omgivelserne), "fortalte del Campo Phys.org . "Vores arbejde fastslår eksistensen af ​​ikke -eksponentielt henfald i åbne kvantesystemer, og vi har demonstreret det i et paradigmatisk miljø, den af ​​kvantebrunsk bevægelse. "

Som forskerne viste, kvanteforfaldet i et system, der er karakteriseret ved kvantebruniansk bevægelse, skyldes systemets kontakt med termiske bade. De fandt ud af, at dette forfald er fuldstændig styret af afvigelser fra den eksponentielle lov, og at det kan være muligt at observere dette forfald i laboratoriet.

De nye fund stemmer også overens med eksperimentelle resultater fra 2006, hvor fysikere observerede, at henfaldende luminescens i et åbent system overtræder loven om eksponentiel henfald. Generelt, den nye undersøgelse viser, at afvigelser fra eksponentielt henfald i åbne kvantesystemer er til stede i mange almindelige tilfælde af kvanteforfald.

Samlet set, resultaterne har potentielle konsekvenser for en lang række områder. For eksempel, de forventes at føre til en bedre forståelse af kvantedekoherens og hjælpe med at teste teorier, der påberåber sig sammenbruddet af kvantebølgefunktionen. De har også applikationer til "kryptering" af kvanteinformation, såvel som for kvantekosmologi.

"Dynamikken i åbne kvantesystemer - hvilket er ethvert kvantesystem indlejret i et miljø - er af interesse for en lang række områder lige fra kvantekemisk dynamik til termodynamik, "sagde del Campo." Vores resultater gælder for stort set alle områder, der beskæftiger sig med åben systemdynamik. I fysikkens grundlag, de styrer den dynamiske fremkomst af den klassiske adfærd, den, vi opfatter, fra den underliggende mikroskopiske kvanteverden."

Resultaterne tyder også på yderligere forskningsretninger.

"I så meget som vi tager kvanteteori som den grundlæggende beskrivelse af naturen, eksistensen af ​​tilbagevendende hændelser for at regenerere en systemets indledende tilstand er faktisk ret sjov og chokerende, "sagde del Campo." Og det er så meget desto mere tilfældet, når sådanne begivenheder sker med glemsomme miljøer, uden hukommelse. Det betyder, at det er muligt for et system at vende tilbage til sin tilstand i en langt fortid i løbet af dets udvikling.

"I sci-fi's ånd, hvis de samme antagelser og matematiske beskrivelser ville være gældende i den makroskopiske verden, det system kan være lige så komplekst som dig og mig. Endnu, Jeg synes ikke, vi skal stole på den. Den eksponentielle lov giver allerede en vidunderlig tilnærmelse til at beskrive forfald af systemer så små som et radioaktivt atom. Det er rimeligt at sige, at systemets kompleksitet stadig er afklaret, gør studiet af kvanteforfald i mangepartikelsystemer til et spændende område for yderligere forskning. "

© 2017 Phys.org