Главная Новости Американские физики «перепрошили» теорию квантового хаоса и квантовой информации

Американские физики «перепрошили» теорию квантового хаоса и квантовой информации

Теоретический прорыв в понимании квантового хаоса может открыть новые пути в исследовании информации и квантовых вычислений, а также физики тел, черных дыр и все еще неуловимого перехода от квантового к классическому.

"Применяя сбалансированную энергию к открытой квантовой системе, мы нашли способ преодолеть ранее существовавшее ограничение, которое предполагало, что взаимодействие с окружающей средой уменьшит квантовый хаос", - говорит Авадх Саксена, физик-теоретик из Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Он представляет команду ученых, опубликовавшую статью о квантовом хаосе в журнале Physical Review Letters, передает Альтернативная наука.

"Это открытие указывает на новые направления в изучении квантовых симуляций и квантовой теории информации".

Квантовый хаос отличается от теории хаоса классической физики. Последняя стремится понять детерминированные или неслучайные закономерности и системы, которые очень чувствительны к начальным условиям. Наиболее известным примером является так называемый эффект бабочки, когда взмах крыльев насекомого может привести к торнадо через сложную, но не случайную цепь причин и следствий.

С другой стороны, квантовый хаос описывает хаотические классические динамические системы в терминах квантовой теории. Квантовый хаос отвечает за скремблирование информации, происходящее в сложных системах, таких, как черные дыры. Он проявляется в энергетических спектрах системы, в виде корреляций между ее характерными модами и частотами.

Считается, что когда квантовая система теряет когерентность, или "квантовость", в результате связи с окружающей средой вне системы - так называемый переход от квантовой к классической - признаки квантового хаоса подавляются. Это означает, что они не могут быть использованы в качестве квантовой информации или состояния, которым можно манипулировать.

Новое понимание квантового хаоса может стать ключом к созданию квантовых компьютеров

Оказалось, что это не совсем так. Саксена, физики из Люксембургского университета Аурелия Чену и Адольфо дель Кампо и их соавторы обнаружили, что в некоторых случаях динамические признаки квантового хаоса не подавляются, а усиливаются.

"Наша работа ставит под сомнение ожидания, что декогеренция обычно подавляет квантовый хаос", - сказал Саксена.

Ранее считалось, что значения энергии в спектрах квантовой системы описываются комплексными числами, то есть числами с мнимой составляющей, и поэтому не могут быть использованы в экспериментальных условиях.

Но добавив усиление и потерю энергии в симметричные точки системы, исследовательская группа обнаружила реальные значения для энергетических спектров, при условии, что сила усиления или потери ниже критического значения.

"Сбалансированное усиление и ослабление энергии обеспечивает физический механизм для реализации в лаборатории того вида энергетической спектральной фильтрации, который стал повсеместным в теоретических исследованиях сложных квантовых систем многих тел", - поясняет дель Кампо.

"В частности, сбалансированный прирост энергии и потери энергии при дефазировке приводят к оптимальному спектральному фильтру. Таким образом, можно использовать сбалансированное усиление и потерю энергии в качестве экспериментального инструмента не только для исследования квантового хаоса, но и для изучения квантовых систем многих тел в целом".

 

Изменяя декогеренцию, объясняют Саксена и дель Кампо, фильтр позволяет лучше контролировать распределение энергии в системе. Это может быть полезно, например, в квантовой информации.

"Декогеренция ограничивает квантовые вычисления, поэтому из этого следует, что поскольку увеличение квантового хаоса уменьшает декогеренцию, вы можете продолжать вычисления дольше", - Саксена.

Статья команды основывается на предыдущей теоретической работе Карла Бендера и Стефана Беттхера. Они обнаружили, что, вопреки принятой с начала XX века парадигме, некоторые квантовые системы дают реальные энергии при определенных симметриях, даже если их гамильтониан не является эрмитовым, то есть он удовлетворяет определенным математическим соотношениям.

В целом, такие системы известны как негермитичные гамильтонианы. Гамильтониан определяет энергию системы.

"Преобладающим пониманием было то, что декогеренция подавляет квантовый хаос для эрмитовых систем с реальными значениями энергии, - рассказывает Саксена. - Поэтому мы подумали, а что если взять неэрмитову систему?".

В исследовательской работе изучался пример накачки энергии в волновод в определенной точке - это усиление, а затем повторная накачка энергии - потеря - симметрично.

Волновод является открытой системой, способной обмениваться энергией с окружающей средой. Вместо того, чтобы вызывать декогеренцию, исследователи обнаружили, что взаимодействие усиливает когерентность и квантовый хаос.