Forskere indsamler numeriske beviser for kvantekaos i Sachdev-Ye-Kitaev-modellen

I løbet af de sidste par år har mange fysikere verden over har undersøgt kaos i kvantesystemer sammensat af stærkt interagerende partikler, også kendt som kaos med mange kroppe. Undersøgelsen af ​​kaos med mange kroppe har udvidet den nuværende forståelse af kvantetermisering (dvs. den proces, hvorigennem kvantepartikler når termisk ligevægt ved at interagere med hinanden) og afslørede overraskende forbindelser mellem mikroskopisk fysik og dynamikken i sorte huller.

Forskere ved University of California, Berkeley har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøgte kaos i mange kroppe i forbindelse med en berømt fysisk konstruktion kaldet Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) -modellen. SYK-modellen beskriver en klynge af tilfældigt interagerende partikler og var det første mikroskopiske kvantesystem, der forudsiges at udvise kaos i mange kroppe.

"Vores arbejde er motiveret af det grundlæggende spørgsmål om, hvor hurtigt information kan sprede sig i stærkt interagerende kvantesystemer, "Bryce Kobrin, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Et par år siden, fremkom en smuk teoretisk forudsigelse, der antydede, at i visse højdimensionelle systemer, information spredes eksponentielt hurtigt, analog til sommerfugleeffekten i klassisk kaos. "

Ud over at hypotese denne hurtige spredning af information i visse højdimensionelle systemer, tidligere undersøgelser viste, at der er en universel hastighedsgrænse for den hastighed, hvormed dette 'kaos' kan udvikle sig. Interessant nok, de eneste kendte eller hypotetiserede systemer, der når denne grænse, er tæt forbundet med sorte huller, eller mere specifikt, kvanteteorier, der beskriver sorte huller. En stor overraskelse var, da forskere forudsagde, at SYK -modellen også mætter det universelle kaos. Denne indsigt førte til yderligere analyser, der indikerer, at egenskaberne ved lav temperatur i SYK-modellen er, træde i kræft, svarende til et ladet sort hul.

Selvom disse ideer er blevet understøttet af teoretiske beregninger, at verificere deres gyldighed og observere kvantekaos i numeriske simuleringer har hidtil vist sig at være en varig udfordring. Kobrin og hans kolleger satte sig for at undersøge den kaotiske karakter af SYK -modellen. De gjorde dette ved at simulere dynamikken i usædvanligt store systemer ved hjælp af avancerede numeriske teknikker, de udviklede. Efterfølgende, de analyserede de data, de indsamlede ved hjælp af en metode baseret på beregninger fra kvantegravitation.

"Som en funktion af temperaturen, vi observerede systemændringen fra at opføre sig som almindelige interagerende partikler til præcist at acceptere den forudsagte adfærd i et kvante sort hul, "Kobrin sagde." Ved at udvikle nye procedurer til analyse af vores resultater, vi bestemte kaoshastigheden og viste eksplicit, at ved lave temperaturer, det nærmede sig den teoretiske øvre grænse. "

Kobrin og hans kolleger indsamlede direkte numeriske beviser for et nyt dynamisk fænomen, nemlig kaos i mange kroppe, som oversætter kaos fra klassisk mekanik til stærkt interagerende kvantesystemer. Deres fund fremhæver også det værdifulde samspil mellem kvantesimuleringer og kvantegravitationsteorier.

Mens de i deres nylige undersøgelse forskerne brugte de numeriske værktøjer, de skabte til at undersøge kaos i mange kroppe i SYK-modellen, i fremtiden kunne de samme teknikker anvendes på andre modeller, der er vanskelige at undersøge ved hjælp af fælles analyserammer. Ultimativt, dette kan hjælpe den igangværende søgning efter kvantesystemer, der udviser den samme adfærd som sorte huller. Endelig, metoderne anvendt af dette forskerteam kunne også inspirere udviklingen af ​​eksperimentelle teknikker til at simulere kvantedynamik på kontrollerbar kvantehardware, for eksempel ved hjælp af arrays med kolde atomer eller fangede ioner.

"Jeg er begejstret for at undersøge andre fænomener i skæringspunktet mellem kvanteinformation og kvantegravitation, "Sagde Kobrin." F.eks. det forudsiges, at ved at koble to kopier af SYK -modellen sammen, man kan danne et såkaldt traversable ormehul, hvorigennem information kan kommunikeres. Dette er et yderst kontraintuitivt resultat, der viser, at kvantekaos kan, faktisk, hjælpe med at flytte oplysninger fra et sted til et andet. "

© 2021 Science X Network