De afgelopen jaren is veel natuurkundigen over de hele wereld hebben onderzoek gedaan naar chaos in kwantumsystemen die zijn samengesteld uit sterk op elkaar inwerkende deeltjes, ook wel veellichamenchaos genoemd. De studie van veellichamenchaos heeft het huidige begrip van kwantumthermalisatie (d.w.z. het proces waardoor kwantumdeeltjes thermisch evenwicht bereiken door met elkaar te interageren) en verrassende verbanden tussen microscopische fysica en de dynamiek van zwarte gaten aan het licht gebracht.

Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd naar chaos van veel lichamen in de context van een vermaard fysiek construct, het Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) -model. Het SYK-model beschrijft een cluster van willekeurig op elkaar inwerkende deeltjes en was het eerste microscopische kwantumsysteem waarvan werd voorspeld dat het chaos met veel lichamen vertoonde.

"Ons werk wordt gemotiveerd door de fundamentele vraag hoe snel informatie zich kan verspreiden in sterk op elkaar inwerkende kwantumsystemen, "Bryce Kobrin, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Een paar jaar geleden, kwam er een mooie theoretische voorspelling naar voren die suggereerde dat in bepaalde hoogdimensionale systemen, informatie verspreidt zich exponentieel snel, analoog aan het vlindereffect in de klassieke chaos."

Naast het veronderstellen van deze snelle verspreiding van informatie in bepaalde hoogdimensionale systemen, eerdere studies hebben aangetoond dat er een universele snelheidslimiet is voor de snelheid waarmee deze 'chaos' zich kan ontwikkelen. interessant, de enige bekende of veronderstelde systemen die deze limiet bereiken, zijn nauw verwant aan zwarte gaten, of meer specifiek, kwantumtheorieën die zwarte gaten beschrijven. Een grote verrassing was toen onderzoekers voorspelden dat het SYK-model ook de universele grens aan chaos verzadigt. Dit inzicht leidde tot verdere analyses die aangeven dat de lage-temperatuureigenschappen van het SYK-model, in werkelijkheid, gelijk aan die van een geladen zwart gat.

Hoewel deze ideeën zijn ondersteund door theoretische berekeningen, het verifiëren van hun geldigheid en het observeren van kwantumchaos in numerieke simulaties is tot nu toe een blijvende uitdaging gebleken. Kobrin en zijn collega's gingen op zoek naar de chaotische aard van het SYK-model. Ze deden dit door de dynamiek van uitzonderlijk grote systemen te simuleren met behulp van geavanceerde numerieke technieken die ze ontwikkelden. Vervolgens, ze analyseerden de gegevens die ze verzamelden met behulp van een methode die was gebaseerd op berekeningen van kwantumzwaartekracht.

"Als functie van de temperatuur, we zagen het systeem veranderen van zich gedragen als gewone interagerende deeltjes naar precies overeenkomen met het voorspelde gedrag van een kwantumzwart gat, " zei Kobrin. "Door nieuwe procedures te ontwikkelen om onze resultaten te analyseren, we bepaalden de mate van chaos en toonden expliciet aan dat, bij lage temperaturen, het naderde de theoretische bovengrens."

Kobrin en zijn collega's verzamelden direct numeriek bewijs van een nieuw dynamisch fenomeen, namelijk veellichamenchaos, die chaos vertaalt van klassieke mechanica naar sterk op elkaar inwerkende kwantumsystemen. Hun bevindingen benadrukken ook het waardevolle samenspel tussen kwantumsimulaties en kwantumzwaartekrachttheorieën.

Terwijl in hun recente studie, de onderzoekers gebruikten de numerieke hulpmiddelen die ze hebben gemaakt om chaos in veel lichamen in het SYK-model te onderzoeken, in de toekomst zouden dezelfde technieken kunnen worden toegepast op andere modellen die moeilijk te onderzoeken zijn met behulp van gemeenschappelijke analysekaders. uiteindelijk, dit zou kunnen helpen bij de voortdurende zoektocht naar kwantumsystemen die hetzelfde gedrag vertonen als zwarte gaten. Eindelijk, de methoden die door dit team van onderzoekers worden gebruikt, kunnen ook inspireren tot de ontwikkeling van experimentele technieken om kwantumdynamica te simuleren op bestuurbare kwantumhardware, bijvoorbeeld met behulp van arrays van koude atomen of ingesloten ionen.

"Ik ben opgewonden om andere verschijnselen te onderzoeken op het kruispunt tussen kwantuminformatie en kwantumzwaartekracht, " zei Kobrin. "Bijvoorbeeld, er wordt voorspeld dat door twee exemplaren van het SYK-model aan elkaar te koppelen, men kan een zogenaamd traversable wormhole vormen waardoor informatie kan worden gecommuniceerd. Dit is een zeer contra-intuïtief resultaat dat aantoont dat kwantumchaos kan, in feite, helpen om informatie van de ene plaats naar de andere te verplaatsen."

© 2021 Science X Network