Теоретичний прорив у розумінні квантового хаосу може відкрити нові шляхи в дослідженні інформації та квантових обчислень, а також фізики тіл, чорних дір і все ще невловимого переходу від квантового до класичного.
"Застосовуючи збалансовану енергію до відкритої квантової системи, ми знайшли спосіб подолати обмеження, яке раніше існувало і яке передбачало, що взаємодія з навколишнім середовищем зменшить квантовий хаос", - каже Авадх Саксена, фізик-теоретик із Лос-Аламоської національної лабораторії.
Він представляє команду вчених, яка опублікувала статтю про квантовий хаос у журналі Physical Review Letters.
"Це відкриття вказує на нові напрямки у вивченні квантових симуляцій і квантової теорії інформації".
Квантовий хаос відрізняється від теорії хаосу класичної фізики. Остання прагне зрозуміти детерміновані або невипадкові закономірності та системи, які дуже чутливі до початкових умов. Найвідомішим прикладом є так званий ефект метелика, коли помах крил комахи може призвести до торнадо через складний, але не випадковий ланцюг причин і наслідків.
З іншого боку, квантовий хаос описує хаотичні класичні динамічні системи в термінах квантової теорії. Квантовий хаос відповідає за скремблювання інформації, що відбувається в складних системах, таких, як чорні діри. Він проявляється в енергетичних спектрах системи, у вигляді кореляцій між її характерними модами і частотами.
Вважається, що коли квантова система втрачає когерентність, або "квантовість", внаслідок зв'язку з навколишнім середовищем поза системою - так званий перехід від квантової до класичної - ознаки квантового хаосу пригнічуються. Це означає, що вони не можуть бути використані як квантова інформація або стан, яким можна маніпулювати.
Виявилося, що це не зовсім так. Саксена, фізики з Люксембурзького університету Аурелія Чену і Адольфо дель Кампо та їхні співавтори виявили, що в деяких випадках динамічні ознаки квантового хаосу не пригнічуються, а посилюються.
"Наша робота ставить під сумнів очікування, що декогеренція зазвичай пригнічує квантовий хаос", - сказав Саксена.
Раніше вважалося, що значення енергії в спектрах квантової системи описуються комплексними числами, тобто числами з уявною складовою, і тому не можуть бути використані в експериментальних умовах.
Але додавши посилення і втрату енергії до симетричних точок системи, дослідницька група виявила реальні значення для енергетичних спектрів, за умови, що сила посилення або втрати нижча за критичне значення.
"Збалансоване посилення і ослаблення енергії забезпечує фізичний механізм для реалізації в лабораторії того виду енергетичної спектральної фільтрації, який став повсюдним у теоретичних дослідженнях складних квантових систем багатьох тіл", - пояснює дель Кампо.
"Зокрема, збалансований приріст енергії та втрати енергії під час дефазування призводять до оптимального спектрального фільтра. Таким чином, можна використовувати збалансоване посилення і втрату енергії як експериментальний інструмент не тільки для дослідження квантового хаосу, а й для вивчення квантових систем багатьох тіл загалом".
Змінюючи декогеренцію, пояснюють Саксена і дель Кампо, фільтр дає змогу краще контролювати розподіл енергії в системі. Це може бути корисно, наприклад, у квантовій інформації.
"Декогеренція обмежує квантові обчислення, тому з цього випливає, що оскільки збільшення квантового хаосу зменшує декогеренцію, ви можете продовжувати обчислення довше", - Саксена.
Стаття команди ґрунтується на попередній теоретичній роботі Карла Бендера і Стефана Беттхера. Вони виявили, що, всупереч ухваленій з початку XX століття парадигмі, деякі квантові системи дають реальні енергії за певних симетрій, навіть якщо їхній гамільтоніан не є ермітовим, тобто він задовольняє певним математичним співвідношенням.
Загалом, такі системи відомі як негермітичні гамільтоніани. Гамільтоніан визначає енергію системи.
"Переважним розумінням було те, що декогеренція пригнічує квантовий хаос для ермітових систем із реальними значеннями енергії, - розповідає Саксена. - Тому ми подумали, а що якщо взяти неермітову систему?".
У дослідницькій роботі вивчали приклад накачування енергії у хвилевід у певній точці - це посилення, а потім повторне накачування енергії - втрата - симетрично.
Хвилевід є відкритою системою, здатною обмінюватися енергією з навколишнім середовищем. Замість того, щоб викликати декогеренцію, дослідники виявили, що взаємодія підсилює когерентність і квантовий хаос.
Джерело: phys.org
