Under de senaste åren, många fysiker världen över har undersökt kaos i kvantsystem som består av starkt interagerande partiklar, även känd som kaos med många kroppar. Studien av kaos med många kroppar har vidgat den nuvarande förståelsen för kvanttermikalisering (dvs. processen genom vilken kvantpartiklar når termisk jämvikt genom att interagera med varandra) och avslöjade överraskande samband mellan mikroskopisk fysik och dynamiken i svarta hål.

Forskare vid University of California, Berkeley har nyligen genomfört en studie som undersöker kaos i många kroppar i samband med en känd fysisk konstruktion som kallas Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) -modellen. SYK-modellen beskriver ett kluster av slumpmässigt interagerande partiklar och var det första mikroskopiska kvantsystemet som förutspås uppvisa kaos i många kroppar.

"Vårt arbete motiveras av den grundläggande frågan om hur snabbt information kan spridas i starkt interagerande kvantsystem, "Bryce Kobrin, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Några år sedan, en vacker teoretisk förutsägelse framkom som föreslog att i vissa högdimensionella system, information sprids exponentiellt snabbt, analogt med fjärilseffekten i klassiskt kaos. "

Förutom att hypotesen om denna snabba spridning av information i vissa högdimensionella system, tidigare studier visade att det finns en universell hastighetsgräns för hur snabbt detta "kaos" kan utvecklas. Intressant, de enda kända eller hypoteser som når denna gräns är nära besläktade med svarta hål, eller mer specifikt, kvantteorier som beskriver svarta hål. En stor överraskning var när forskare förutspådde att SYK -modellen också mättar det universella kaoset. Denna insikt ledde till ytterligare analyser som tyder på att lågtemperaturegenskaperna hos SYK-modellen är, i själva verket, motsvarar det för ett laddat svart hål.

Även om dessa idéer har stöds av teoretiska beräkningar, att verifiera deras giltighet och observera kvantkaos i numeriska simuleringar har hittills visat sig vara en bestående utmaning. Kobrin och hans kollegor gav sig ut för att undersöka den kaotiska karaktären hos SYK -modellen. De gjorde detta genom att simulera dynamiken i exceptionellt stora system med hjälp av avancerade numeriska tekniker som de utvecklat. Senare, de analyserade data som de samlade in med en metod baserad på beräkningar från kvantgravitation.

"Som en funktion av temperaturen, vi observerade systemförändringen från att bete sig som vanliga interagerande partiklar till att överensstämma exakt med det förutsagda beteendet hos ett kvantsvart hål, "Kobrin sa." Genom att utveckla nya procedurer för att analysera våra resultat, vi bestämde kaoshastigheten och visade uttryckligen att, vid låga temperaturer, det närmade sig den teoretiska övre gränsen. "

Kobrin och hans kollegor samlade direkt numeriska bevis på ett nytt dynamiskt fenomen, nämligen kaos med många kroppar, som översätter kaos från klassisk mekanik till starkt interagerande kvantsystem. Deras resultat belyser också det värdefulla samspelet mellan kvantsimuleringar och teorier om kvantgravitation.

Medan de i sin senaste studie forskarna använde de numeriska verktyg som de skapade för att undersöka kaos i många kroppar i SYK-modellen, i framtiden kan samma tekniker tillämpas på andra modeller som är svåra att undersöka med hjälp av gemensamma analysramar. I sista hand, detta kan underlätta det pågående sökandet efter kvantsystem som uppvisar samma beteende som svarta hål. Till sist, metoderna som används av detta forskargrupp kan också inspirera utvecklingen av experimentella tekniker för att simulera kvantdynamik på kontrollerbar kvanthårdvara, till exempel med hjälp av matriser med kalla atomer eller instängda joner.

"Jag är upphetsad att undersöka andra fenomen i skärningspunkten mellan kvantinformation och kvantgravitation, "Sa Kobrin." Till exempel, det förutses att genom att koppla ihop två kopior av SYK -modellen, man kan bilda ett så kallat maskhål genom vilket information kan kommuniceras. Detta är ett mycket kontraintuitivt resultat som visar att kvantkaos kan, faktiskt, hjälpa till att flytta information från en plats till en annan. "

© 2021 Science X Network