Een theoretische doorbraak in het begrijpen van kwantumchaos zou nieuwe wegen kunnen openen voor onderzoek naar kwantuminformatie en kwantumcomputing, veellichamenfysica, zwarte gaten en de nog steeds ongrijpbare overgang van kwantum naar klassieke.

"Door gebalanceerde energiewinst en -verlies toe te passen op een open kwantumsysteem, hebben we een manier gevonden om een ​​eerder vastgehouden beperking te overwinnen die veronderstelde dat interacties met de omgeving de kwantumchaos zouden verminderen", zegt Avadh Saxena, een theoretisch fysicus bij Los Alamos National Laboratory en lid van het team dat het artikel over kwantumchaos publiceerde in Physical Review Letters . "Deze ontdekking wijst op nieuwe richtingen bij het bestuderen van kwantumsimulaties en kwantuminformatietheorie."

Kwantumchaos verschilt van klassiek-fysica chaostheorie. De laatste probeert deterministische (of niet-willekeurige) patronen en systemen te begrijpen die zeer gevoelig zijn voor beginvoorwaarden. Het zogenaamde vlindereffect is het bekendste voorbeeld, waarbij het klapperen van de vleugels van een vlinder in Texas, via een verbijsterend ingewikkelde maar niet willekeurige keten van oorzaak en gevolg, kan leiden tot een tornado in Kansas.

Aan de andere kant beschrijft kwantumchaos chaotische klassieke dynamische systemen in termen van kwantumtheorie. Kwantumchaos is verantwoordelijk voor het door elkaar gooien van informatie in complexe systemen zoals zwarte gaten. Het openbaart zich in de energiespectra van het systeem, in de vorm van correlaties tussen zijn karakteristieke modi en frequenties.

Er is aangenomen dat als een kwantumsysteem samenhang verliest, of zijn 'kwantumheid', door te koppelen aan de omgeving buiten het systeem - de zogenaamde overgang van kwantum naar klassiek - de kenmerken van kwantumchaos worden onderdrukt. Dat betekent dat ze niet kunnen worden uitgebuit als kwantuminformatie of als een toestand die kan worden gemanipuleerd.

Het blijkt dat dat niet helemaal waar is. Saxena, natuurkundigen van de Universiteit van Luxemburg, Aurelia Chenu en Adolfo del Campo, en medewerkers ontdekten dat de dynamische kenmerken van kwantumchaos in sommige gevallen zelfs worden versterkt, niet onderdrukt.

"Ons werk daagt de verwachting uit dat decoherentie over het algemeen de kwantumchaos onderdrukt," zei Saxena.

De energiewaarden in de spectra van het kwantumsysteem werden eerder beschouwd als complexe getallen - dat wil zeggen getallen met een denkbeeldige getalscomponent - en dus niet bruikbaar in een experimentele setting. Maar door energiewinst en -verlies toe te voegen op symmetrische punten in het systeem, vond het onderzoeksteam echte waarden voor de energiespectra, op voorwaarde dat de sterkte van winst of verlies onder een kritische waarde ligt.

"Gebalanceerde energiewinst en -verlies biedt een fysiek mechanisme om in het laboratorium het soort energie-spectrale filtering te realiseren dat alomtegenwoordig is geworden in theoretische en numerieke studies van complexe kwantumsystemen met veel lichamen," zei del Campo. "Met name gebalanceerde energiewinst en -verlies bij energiedefasering leidt tot het optimale spectrale filter. Zo zou men gebalanceerde energiewinst en -verlies kunnen gebruiken als een experimenteel hulpmiddel, niet alleen om kwantumchaos te onderzoeken, maar om kwantumsystemen met veel lichamen in het algemeen te bestuderen."

Door de decoherentie te veranderen, legden Saxena en del Campo uit, zorgt het filter voor een betere controle van de energieverdeling in het systeem. Dat kan handig zijn bij bijvoorbeeld kwantuminformatie.

"Decoherentie beperkt kwantumcomputing, dus omdat toenemende kwantumchaos decoherentie vermindert, kun je langer blijven rekenen", zei Saxena.

De paper van het team bouwt voort op eerder theoretisch werk van Carl Bender (van de Washington University in St. Louis en voormalig Ulam-wetenschapper in Los Alamos) en Stefan Boettcher (voorheen van Los Alamos en nu op Emory University). Ze ontdekten dat, in tegenstelling tot het geaccepteerde paradigma uit het begin van de twintigste eeuw, sommige kwantumsystemen reële energie opleverden onder bepaalde symmetrieën, hoewel hun Hamiltoniaan niet Hermitisch was, wat betekent dat het aan bepaalde wiskundige relaties voldoet. In het algemeen staan ​​dergelijke systemen bekend als niet-Hermitische Hamiltonianen. Een Hamiltoniaan definieert de energie van het systeem.

"Het heersende begrip was dat decoherentie de kwantumchaos onderdrukt voor Hermitische systemen, met echte energiewaarden," zei Saxena. "Dus we dachten, wat als we een niet-Hermitiaans systeem nemen?"

De onderzoekspaper bestudeerde het voorbeeld van het pompen van energie in een golfgeleider op een bepaald punt - dat is de winst - en dan weer energie uitpompen - het verlies - symmetrisch. De golfgeleider is een open systeem dat energie kan uitwisselen met de omgeving. In plaats van decoherentie te veroorzaken, ontdekten ze dat het proces en de interacties de coherentie en kwantumchaos vergroten. + Verder verkennen

Fysieke kenmerken verhogen de efficiëntie van kwantumsimulaties