Find sammenhæng i kvantekaos

Et teoretisk gennembrud i forståelsen af ​​kvantekaos kunne åbne nye veje til at forske i kvanteinformation og kvanteberegning, mange-kropsfysik, sorte huller og den stadig uhåndgribelige overgang fra kvante til klassisk.

"Ved at anvende balanceret energiforøgelse og -tab på et åbent kvantesystem, fandt vi en måde at overvinde en tidligere holdt begrænsning, der antog, at interaktioner med det omgivende miljø ville mindske kvantekaos," sagde Avadh Saxena, en teoretisk fysiker ved Los Alamos National Laboratory og medlem af teamet, der udgav papiret om kvantekaos i Physical Review Letters . "Denne opdagelse peger på nye retninger i at studere kvantesimuleringer og kvanteinformationsteori."

Kvantekaos adskiller sig fra klassisk-fysisk kaosteori. Sidstnævnte søger at forstå deterministiske (eller ikke-tilfældige) mønstre og systemer, der er meget følsomme over for begyndelsesbetingelser. Den såkaldte sommerfugleeffekt er det mest kendte eksempel, hvor klappen af ​​en sommerfugls vinger i Texas gennem en forvirrende kompliceret, men ikke tilfældig kæde af årsag og virkning, kan føre til en tornado i Kansas.

På den anden side beskriver kvantekaos kaotiske klassiske dynamiske systemer i form af kvanteteori. Kvantekaos er ansvarlig for forvrængning af information, der forekommer i komplekse systemer som sorte huller. Det åbenbarer sig i systemets energispektre i form af korrelationer mellem dets karakteristiske tilstande og frekvenser.

Det er blevet antaget, at når et kvantesystem mister sammenhæng, eller dets "kvantehed", ved at koble sig til miljøet uden for systemet - den såkaldte kvante til klassisk overgang - undertrykkes kvantekaosets signaturer. Det betyder, at de ikke kan udnyttes som kvanteinformation eller som en tilstand, der kan manipuleres.

Det viser sig, at det ikke er helt sandt. Saxena, University of Luxembourgs fysikere Aurelia Chenu og Adolfo del Campo og samarbejdspartnere fandt ud af, at de dynamiske signaturer af kvantekaos faktisk forbedres, ikke undertrykkes, i nogle tilfælde.

"Vores arbejde udfordrer forventningen om, at dekohærens generelt undertrykker kvantekaos," sagde Saxena.

Energiværdierne i kvantesystemets spektre blev tidligere anset for at være komplekse tal - det vil sige tal med en imaginær talkomponent - og dermed ikke nyttige i eksperimentelle omgivelser. Men ved at tilføje energigevinst og -tab på symmetriske punkter i systemet, fandt forskerholdet reelle værdier for energispektrene, forudsat at styrken af ​​gevinst eller tab er under en kritisk værdi.

"Balanceret energiforøgelse og -tab giver en fysisk mekanisme til i laboratoriet at realisere den slags energi-spektral filtrering, der er blevet allestedsnærværende i teoretiske og numeriske undersøgelser af komplekse mange-krops kvantesystemer," sagde del Campo. "Specifikt fører balanceret energiforøgelse og -tab i energiaffasning til det optimale spektralfilter. Således kunne man udnytte balanceret energiforøgelse og -tab som et eksperimentelt værktøj, ikke kun til at sondere kvantekaos, men til at studere kvantesystemer med mange krop generelt."

Ved at ændre dekohærensen, forklarede Saxena og del Campo, giver filteret bedre kontrol over energifordelingen i systemet. Det kan for eksempel være nyttigt i kvanteinformation.

"Dekohærens begrænser kvanteberegning, så det følger, at fordi stigende kvantekaos reducerer dekohærens, kan du blive ved med at beregne længere," sagde Saxena.

Holdets papir bygger på tidligere teoretisk arbejde af Carl Bender (fra Washington University i St. Louis og tidligere Ulam-forsker ved Los Alamos) og Stefan Boettcher (tidligere fra Los Alamos og nu ved Emory University). De fandt ud af, at i modsætning til det accepterede paradigme fra det tidlige tyvende århundrede, gav nogle kvantesystemer reelle energier under visse symmetrier, selvom deres Hamiltonian ikke var hermitisk, hvilket betyder, at den opfylder visse matematiske relationer. Generelt er sådanne systemer kendt som ikke-ermitiske Hamiltonianere. En Hamiltonianer definerer systemets energi.

"Den fremherskende forståelse var, at dekohærens undertrykker kvantekaos for hermitiske systemer med reelle energiværdier," sagde Saxena. "Så vi tænkte, hvad nu hvis vi tager et ikke-ermitisk system?"

Forskningspapiret studerede eksemplet med at pumpe energi ind i en bølgeleder på et bestemt punkt - det er gevinsten - og derefter pumpe energi ud igen - tabet - symmetrisk. Bølgelederen er et åbent system, der kan udveksle energi med omgivelserne. I stedet for at forårsage dekohærens, fandt de, øger processen og interaktioner sammenhæng og kvantekaos. + Udforsk yderligere

Fysiske funktioner øger effektiviteten af ​​kvantesimuleringer