Впервые исследователи из Китая точно количественно оценили, как возрастает хаос в квантовой многочастичной системе по мере её эволюции во времени. Объединив эксперименты и теорию, группа под руководством Ю-Чэнь Ли из Китайского университета науки и технологий показала, что уровень хаоса экспоненциально растёт при обращении времени в этих системах, что соответствует предсказаниям об их чрезвычайной чувствительности к ошибкам. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Квантовый эффект бабочки
Эффект бабочки — это хорошо известное выражение теории хаоса. Он описывает, как сложная система может быстро стать непредсказуемой по мере своего развития: достаточно допустить несколько небольших ошибок при задании начальных условий системы, и через короткое время она может выглядеть совершенно иначе, чем предполагалось.
Этот эффект особенно актуален в многочастичных квантовых системах, где запутанность создает сложные сети взаимосвязей между частицами — даже в относительно небольших системах. По мере эволюции системы информация о ее начальном состоянии все больше рассеивается по этим связям.
Те же правила действуют, когда исследователи пытаются повернуть время вспять для квантовой многочастичной системы, чтобы восстановить ее исходные условия. Хотя уравнения квантовой механики в принципе обратимы, ошибки неизбежны при практической реализации эволюции, обращенной во времени .
В результате хаос быстро возникает таким же образом, усиливая даже мельчайшие несовершенства. До сих пор исследователи не пришли к широкому консенсусу относительно того, как лучше всего количественно оценить этот рост хаоса, основанный на этих ошибках.
Перемешивание информации в ЯМР
В своем исследовании команда Ли подошла к проблеме, изучив, как информация рассеивается, или «перемешивается», в развивающейся квантовой системе. По мере перемешивания степень запутанности между частицами возрастает, эффективно скрывая квантовую информацию в сложных корреляциях.
Для изучения этого эффекта исследователи провели эксперименты с использованием твердотельной ядерной магнитной резонансной спектроскопии : метода, который исследует и манипулирует квантовыми спинами атомных ядер с помощью магнитных полей и радиочастотных импульсов. В исследуемом ими твердом материале ядерные спины случайным образом взаимодействуют друг с другом, образуя управляемую многочастичную систему.
Измерение квантового хаоса
Для измерения распространения квантовой информации физики часто используют величину, называемую коррелятором, упорядоченным вне времени (OTOC). Если это значение быстро меняется, это сигнализирует о сильном перемешивании информации и хаотическом поведении.
Чтобы проверить, насколько точно OTOC описывает хаос во время обращения времени, команда Ли применила теоретическую модель, основанную на « скрэмблонах »: коллективных возбуждениях, включающих множество запутанных частиц, которые опосредуют распространение квантовой информации.
Эта методика позволила им выявить и исправить ошибки в экспериментальных измерениях, возникающие из-за несовершенства реализации эволюции с обращением времени. После учета этих эффектов команда смогла четко наблюдать и количественно оценить экспоненциальный рост хаоса в системе во время обращения времени — впервые эта величина была измерена с такой точностью в экспериментальной системе из многих тел.
Выявление ожидаемого поведения
Результаты, полученные командой, углубляют наше понимание того, как и почему сложные квантовые системы сопротивляются обращению во времени. Эти выводы могут быть особенно важны для квантового моделирования, которое опирается на строго контролируемые квантовые системы для исследования физики, которая в противном случае была бы неразрешима.
В свою очередь, это улучшенное понимание квантового хаоса может привести к усовершенствованию методов квантовых измерений, потенциально позволяя исследователям изучать поведение квантового мира с беспрецедентной детализацией.
