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Una svolta teorica nella comprensione del caos quantistico potrebbe aprire nuove strade alla ricerca dell'informazione quantistica e del calcolo quantistico, della fisica a molti corpi, dei buchi neri e della transizione ancora inafferrabile da quantistica alla classica.
"Applicando guadagno e perdita di energia bilanciati a un sistema quantistico aperto, abbiamo trovato un modo per superare una limitazione precedentemente ritenuta che presumeva che le interazioni con l'ambiente circostante avrebbero ridotto il caos quantistico", ha affermato Avadh Saxena, fisico teorico presso il Los Alamos National Laboratory e membro del team che ha pubblicato l'articolo sul caos quantistico in Physical Review Letters . "Questa scoperta indica nuove direzioni nello studio delle simulazioni quantistiche e della teoria dell'informazione quantistica."
Il caos quantistico differisce dalla teoria del caos della fisica classica. Quest'ultimo cerca di comprendere modelli e sistemi deterministici (o non casuali) che sono altamente sensibili alle condizioni iniziali. Il cosiddetto effetto farfalla è l'esempio più familiare, per cui il battito d'ali di una farfalla in Texas potrebbe, attraverso una catena di causa ed effetto incredibilmente complicata ma non casuale, portare a un tornado in Kansas.
D'altra parte, il caos quantistico descrive i sistemi dinamici classici caotici in termini di teoria quantistica. Il caos quantistico è responsabile della confusione di informazioni che si verificano in sistemi complessi come i buchi neri. Si rivela negli spettri energetici del sistema, sotto forma di correlazioni tra i suoi modi caratteristici e le frequenze.
Si è creduto che quando un sistema quantistico perde coerenza, o la sua "quantità", accoppiandosi all'ambiente esterno al sistema - la cosiddetta transizione da quantistica a classica - le firme del caos quantistico vengono soppresse. Ciò significa che non possono essere sfruttati come informazioni quantistiche o come uno stato che può essere manipolato.
Si scopre che non è del tutto vero. Saxena, i fisici dell'Università del Lussemburgo Aurelia Chenu e Adolfo del Campo e collaboratori hanno scoperto che le firme dinamiche del caos quantistico sono effettivamente migliorate, non soppresse, in alcuni casi.
"Il nostro lavoro sfida l'aspettativa che la decoerenza generalmente sopprima il caos quantistico", ha affermato Saxena.
In precedenza si pensava che i valori energetici negli spettri del sistema quantistico fossero numeri complessi, cioè numeri con una componente numerica immaginaria, e quindi non utili in un ambiente sperimentale. Ma sommando guadagno e perdita di energia in punti simmetrici del sistema, il team di ricerca ha trovato valori reali per gli spettri energetici, a condizione che la forza del guadagno o della perdita sia inferiore a un valore critico.
"Il guadagno e la perdita di energia bilanciati forniscono un meccanismo fisico per realizzare in laboratorio il tipo di filtraggio spettrale dell'energia che è diventato onnipresente negli studi teorici e numerici di complessi sistemi quantistici a molti corpi", ha affermato del Campo. "In particolare, il guadagno e la perdita di energia bilanciati nella sfasatura dell'energia portano al filtro spettrale ottimale. Pertanto, si potrebbe sfruttare il guadagno e la perdita di energia bilanciati come strumento sperimentale non solo per sondare il caos quantistico, ma per studiare i sistemi quantistici a molti corpi in generale".
Modificando la decoerenza, spiegano Saxena e del Campo, il filtro permette un migliore controllo della distribuzione dell'energia nel sistema. Ciò può essere utile nelle informazioni quantistiche, ad esempio.
"La decoerenza limita il calcolo quantistico, quindi ne consegue che, poiché l'aumento del caos quantistico riduce la decoerenza, puoi continuare a calcolare più a lungo", ha affermato Saxena.
L'articolo del team si basa sul precedente lavoro teorico di Carl Bender (della Washington University a St. Louis ed ex studioso di Ulam a Los Alamos) e Stefan Boettcher (ex di Los Alamos e ora alla Emory University). Hanno scoperto che, contrariamente al paradigma accettato dall'inizio del ventesimo secolo, alcuni sistemi quantistici producevano energie reali sotto determinate simmetrie anche se la loro Hamiltoniana non era hermitiana, il che significa che soddisfa alcune relazioni matematiche. In generale, tali sistemi sono noti come Hamiltoniani non hermitiani. Un Hamiltoniano definisce l'energia del sistema.
"La comprensione prevalente era che la decoerenza sopprime il caos quantistico per i sistemi hermitiani, con valori energetici reali", ha detto Saxena. "Così abbiamo pensato, e se prendiamo un sistema non hermitiano?"
Il documento di ricerca ha studiato l'esempio di pompare energia in una guida d'onda in un punto particolare - questo è il guadagno - e poi pompare di nuovo energia - la perdita - simmetricamente. La guida d'onda è un sistema aperto, in grado di scambiare energia con l'ambiente. Invece di causare la decoerenza, hanno scoperto, il processo e le interazioni aumentano la coerenza e il caos quantistico. + Esplora ulteriormente
