Kredit:Pixabay/CC0 Public Domain
Ett teoretiskt genombrott för att förstå kvantkaos skulle kunna öppna nya vägar till forskning om kvantinformation och kvantberäkning, många kroppsfysik, svarta hål och den fortfarande svårfångade övergången från kvant till klassisk övergång.
"Genom att tillämpa balanserad energivinst och -förlust på ett öppet kvantsystem hittade vi ett sätt att övervinna en tidigare hållen begränsning som antog att interaktioner med den omgivande miljön skulle minska kvantkaoset", säger Avadh Saxena, en teoretisk fysiker vid Los Alamos National Laboratory och medlem av teamet som publicerade artikeln om kvantkaos i Physical Review Letters . "Denna upptäckt pekar på nya riktningar för att studera kvantsimuleringar och kvantinformationsteori."
Kvantkaos skiljer sig från klassisk-fysisk kaosteori. Den senare försöker förstå deterministiska (eller icke-slumpmässiga) mönster och system som är mycket känsliga för initiala förhållanden. Den så kallade fjärilseffekten är det mest välkända exemplet, där fjärilsvingarna i Texas, genom en förvirrande komplicerad men inte slumpmässig kedja av orsak och verkan, kan leda till en tornado i Kansas.
Å andra sidan beskriver kvantkaos kaotiska klassiska dynamiska system i termer av kvantteori. Kvantkaos är ansvarigt för förvrängningen av information som förekommer i komplexa system som svarta hål. Det uppenbarar sig i systemets energispektra, i form av korrelationer mellan dess karakteristiska lägen och frekvenser.
Man har trott att när ett kvantsystem förlorar koherens, eller sin "kvantitet", genom att kopplas till miljön utanför systemet - den så kallade kvant- till klassisk övergång - undertrycks signaturerna för kvantkaos. Det betyder att de inte kan utnyttjas som kvantinformation eller som ett tillstånd som kan manipuleras.
Det visar sig att det inte är helt sant. Saxena, University of Luxembourgs fysiker Aurelia Chenu och Adolfo del Campo, och medarbetare fann att de dynamiska signaturerna av kvantkaos faktiskt förstärks, inte undertrycks, i vissa fall.
"Vårt arbete utmanar förväntningarna att dekoherens i allmänhet undertrycker kvantkaos," sa Saxena.
Energivärdena i kvantsystemets spektra ansågs tidigare vara komplexa tal - det vill säga tal med en imaginär talkomponent - och därför inte användbara i en experimentell miljö. Men genom att lägga till energivinst och energiförlust vid symmetriska punkter i systemet, hittade forskargruppen verkliga värden för energispektra, förutsatt att styrkan av vinst eller förlust är under ett kritiskt värde.
"Balanserad energivinst och förlust ger en fysisk mekanism för att realisera i laboratoriet den typ av energispektral filtrering som har blivit allestädes närvarande i teoretiska och numeriska studier av komplexa kvantsystem med många kroppar," sa del Campo. "Specifikt, balanserad energivinst och energiförlust i energiavfasning leder till det optimala spektralfiltret. Således skulle man kunna utnyttja balanserad energivinst och energiförlust som ett experimentellt verktyg inte bara för att undersöka kvantkaos utan för att studera kvantsystem i många kroppar i allmänhet."
Genom att ändra dekoherensen, förklarade Saxena och del Campo, tillåter filtret bättre kontroll av energifördelningen i systemet. Det kan vara användbart i till exempel kvantinformation.
"Dekoherens begränsar kvantberäkning, så det följer att eftersom ökande kvantkaos minskar dekoherens, kan du fortsätta att beräkna längre," sa Saxena.
Teamets uppsats bygger på tidigare teoretiskt arbete av Carl Bender (från Washington University i St. Louis och tidigare Ulam-forskare vid Los Alamos) och Stefan Boettcher (tidigare från Los Alamos och nu vid Emory University). De fann att, i motsats till det accepterade paradigmet från det tidiga nittonhundratalet, gav vissa kvantsystem verkliga energier under vissa symmetrier även om deras Hamiltonian inte var hermitisk, vilket betyder att den uppfyller vissa matematiska relationer. I allmänhet är sådana system kända som icke-hermitiska Hamiltonianer. En Hamiltonian definierar energin i systemet.
"Den rådande förståelsen var att dekoherens undertrycker kvantkaos för hermitiska system, med verkliga energivärden," sa Saxena. "Så vi tänkte, vad händer om vi tar ett icke-ermitiskt system?"
Forskningsdokumentet studerade exemplet med att pumpa energi in i en vågledare vid en viss punkt - det är vinsten - och sedan pumpa ut energi igen - förlusten - symmetriskt. Vågledaren är ett öppet system som kan utbyta energi med omgivningen. Istället för att orsaka dekoherens, fann de, ökar processen och interaktionerna koherens och kvantkaos. + Utforska vidare
