Negli ultimi anni, molti fisici in tutto il mondo hanno condotto ricerche sul caos nei sistemi quantistici composti da particelle fortemente interagenti, noto anche come caos a molti corpi. Lo studio del caos a molti corpi ha ampliato l'attuale comprensione della termalizzazione quantistica (cioè, il processo attraverso il quale le particelle quantistiche raggiungono l'equilibrio termico interagendo tra loro) e ha rivelato sorprendenti connessioni tra la fisica microscopica e la dinamica dei buchi neri.

Ricercatori dell'Università della California, Berkeley ha recentemente condotto uno studio che esamina il caos a molti corpi nel contesto di un famoso costrutto fisico chiamato modello Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). Il modello SYK descrive un cluster di particelle interagenti casualmente ed è stato il primo sistema quantistico microscopico a cui si prevedeva di esibire il caos a molti corpi.

"Il nostro lavoro è motivato dalla domanda fondamentale di quanto velocemente le informazioni possono diffondersi in sistemi quantistici fortemente interagenti, "Bryce Kobryn, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Alcuni anni fa, emerse una bella previsione teorica che suggeriva che in certi sistemi ad alta dimensionalità, le informazioni si diffondono in modo esponenziale, analogo all'effetto farfalla nel caos classico."

Oltre a ipotizzare questa rapida diffusione di informazioni in alcuni sistemi ad alta dimensionalità, studi precedenti hanno dimostrato che esiste un limite di velocità universale alla velocità con cui questo "caos" può svilupparsi. interessante, gli unici sistemi conosciuti o ipotizzati che raggiungono questo limite sono strettamente legati ai buchi neri, o più precisamente, teorie quantistiche che descrivono i buchi neri. Una grande sorpresa è stata quando i ricercatori hanno previsto che il modello SYK satura anche il limite universale del caos. Questa intuizione ha portato a ulteriori analisi che indicano che le proprietà a bassa temperatura del modello SYK sono, in effetti, equivalente a quello di un buco nero carico.

Sebbene queste idee siano state supportate da calcoli teorici, verificarne la validità e osservare il caos quantistico nelle simulazioni numeriche si è finora rivelato una sfida duratura. Kobryn e i suoi colleghi hanno deciso di indagare sulla natura caotica del modello SYK. Lo hanno fatto simulando la dinamica di sistemi eccezionalmente grandi utilizzando tecniche numeriche all'avanguardia che hanno sviluppato. Successivamente, hanno analizzato i dati raccolti utilizzando un metodo basato su calcoli della gravità quantistica.

"In funzione della temperatura, abbiamo osservato il cambiamento del sistema dal comportamento come le normali particelle interagenti all'accordo preciso con il comportamento previsto di un buco nero quantistico, " Kobryn ha detto. "Sviluppando nuove procedure per analizzare i nostri risultati, abbiamo determinato il tasso di caos e mostrato esplicitamente che, a basse temperature, si è avvicinato al limite superiore teorico."

Kobryn e i suoi colleghi hanno raccolto prove numeriche dirette di un nuovo fenomeno dinamico, vale a dire il caos a molti corpi, che traduce il caos dalla meccanica classica a sistemi quantistici fortemente interagenti. Le loro scoperte evidenziano anche la preziosa interazione tra simulazioni quantistiche e teorie della gravità quantistica.

Mentre nel loro recente studio, i ricercatori hanno utilizzato gli strumenti numerici che hanno creato per esaminare il caos a molti corpi nel modello SYK, in futuro le stesse tecniche potrebbero essere applicate ad altri modelli difficili da esaminare utilizzando framework di analisi comuni. In definitiva, questo potrebbe aiutare la ricerca in corso di sistemi quantistici che mostrino lo stesso comportamento dei buchi neri. Finalmente, i metodi impiegati da questo team di ricercatori potrebbero anche ispirare lo sviluppo di tecniche sperimentali per simulare la dinamica quantistica su hardware quantistico controllabile, ad esempio utilizzando array di atomi freddi o ioni intrappolati.

"Sono entusiasta di indagare su altri fenomeni all'intersezione tra informazione quantistica e gravità quantistica, " disse Kobryn. "Per esempio, si prevede che accoppiando due copie del modello SYK, si può formare un cosiddetto wormhole attraversabile attraverso il quale le informazioni possono essere comunicate. Questo è un risultato altamente controintuitivo che dimostra che il caos quantistico può, infatti, aiutare a spostare le informazioni da un luogo all'altro."

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