(Phys.org)—Fin dagli albori della meccanica quantistica, si è pensato che la dinamica del decadimento dei sistemi quantistici instabili segua una legge di decadimento esponenziale, proprio come quello usato per descrivere il decadimento radioattivo e molti altri processi naturali. La legge esponenziale nel dominio quantistico è stata originariamente proposta da George Gamow e successivamente sviluppata da Eugene Wigner e Victor Weisskopf. Secondo questa legge, quando viene dato un campione di atomi instabili, il numero di quelli che possono decadere in un breve periodo di tempo è proporzionale al numero di atomi presenti.

Negli anni da allora, però, i fisici hanno scoperto che le deviazioni dalla legge esponenziale possono verificarsi in sistemi quantistici instabili, ma solo in quelli che sono isolati dall'ambiente esterno. Questo perché i sistemi isolati sono privi di decoerenza ambientale, che rende possibile ai prodotti di decadimento quantistico di ricostruirsi nel loro iniziale, stati pre-decaduti. Di conseguenza, il decadimento è inizialmente più lento di quello previsto dalla legge esponenziale, e nelle fasi successive, il decadimento spesso mostra un comportamento da legge di potenza. I ricercatori hanno precedentemente dimostrato che questo decadimento non esponenziale può essere sfruttato per il controllo quantistico.

Ora in un nuovo studio, i fisici hanno teoricamente dimostrato che i processi di decadimento quantistico possono deviare dalla legge di decadimento esponenziale non solo quando il sistema è isolato, ma anche quando è a contatto con l'ambiente esterno. I risultati suggeriscono che un sistema quantistico instabile può decadere e successivamente tornare al suo stato originale, anche in presenza di decoerenza ambientale.

I fisici, guidato da Adolfo del Campo presso l'Università del Massachusetts, e compresi i colleghi dell'Università dei Paesi Baschi e dell'Università di Aberystwyth, hanno pubblicato un articolo sull'esistenza del decadimento quantistico non esponenziale nei sistemi aperti in un recente numero di Lettere di revisione fisica .

"Studi precedenti hanno sostenuto che le deviazioni dalla legge esponenziale erano assenti nei sistemi quantistici 'aperti' realistici, a causa del loro contatto con l'ambiente (qualsiasi cosa nei dintorni), "Detto del Campo Phys.org . "Il nostro lavoro stabilisce l'esistenza del decadimento non esponenziale nei sistemi quantistici aperti, e lo abbiamo dimostrato in un contesto paradigmatico, quello del moto browniano quantistico".

Come hanno dimostrato gli scienziati, il decadimento quantistico di un sistema caratterizzato da moto browniano quantistico risulta dal contatto del sistema con bagni termali. Hanno scoperto che questo decadimento è completamente governato da deviazioni dalla legge esponenziale, e che potrebbe essere possibile osservare questo decadimento in laboratorio.

I nuovi risultati concordano anche con i risultati sperimentali del 2006, in cui i fisici hanno osservato che la luminescenza in decadimento in un sistema aperto viola la legge di decadimento esponenziale. Generalmente, il nuovo studio mostra che le deviazioni dal decadimento esponenziale nei sistemi quantistici aperti sono presenti in molti casi comuni di decadimento quantistico.

Globale, i risultati hanno potenziali implicazioni per un'ampia gamma di aree. Ad esempio, ci si aspetta che portino a una migliore comprensione della decoerenza quantistica e aiutino a testare teorie che invocano il collasso della funzione d'onda quantistica. Hanno anche applicazioni per la "rimescolatura" dell'informazione quantistica, così come per la cosmologia quantistica.

"La dinamica dei sistemi quantistici aperti, ovvero qualsiasi sistema quantistico incorporato in un ambiente, è di interesse per un'ampia varietà di campi che vanno dalla dinamica chimica quantistica alla termodinamica, " Del Campo ha detto. "I nostri risultati si applicano praticamente a qualsiasi area che si occupa di dinamiche di sistema aperto. Nei fondamenti della fisica, governano l'emergere dinamico del comportamento classico, quello che percepiamo, dal mondo microscopico quantistico sottostante."

I risultati suggeriscono anche ulteriori direzioni di ricerca.

"Nella misura in cui prendiamo la teoria dei quanti come la descrizione fondamentale della Natura, l'esistenza di eventi di ritorno per rigenerare uno stato iniziale di un sistema è in realtà abbastanza divertente e scioccante, " disse del Campo. "E lo è tanto più quando tali eventi accadono con ambienti smemorati, senza memoria. Significa che è possibile per un sistema tornare al suo stato nel lontano passato nel corso della sua evoluzione.

"Nello spirito della fantascienza, se le stesse ipotesi e descrizione matematica valgono nel mondo macroscopico, quel sistema potrebbe essere complesso quanto me e te. Ancora, Non credo che dovremmo fare affidamento su quello. La legge esponenziale fornisce già una meravigliosa approssimazione per descrivere il decadimento di sistemi piccoli come un atomo radioattivo. È giusto dire che il ruolo della complessità del sistema resta da chiarire, rendendo lo studio del decadimento quantistico nei sistemi a molte particelle un'area entusiasmante per ulteriori ricerche".

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