Tecnologia Científica

Os pesquisadores reaºnem evidaªncias numanãricas do caos qua¢ntico no modelo Sachdev-Ye-Kitaev
Pesquisadores da Universidade da Califa³rnia, Berkeley recentemente realizou um estudo examinando o caos de muitos corpos no contexto de uma construa§a£o física de renome chamado Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) modelo .
Por Ingrid Fadelli - 12/02/2021



Um diagrama de fase esquema¡tico que mostra o comportamento do modelo Sachdev-Ye-Kitaev para diferentes regimes de temperatura e tamanho do sistema. De alta para baixa temperatura, o modelo muda de se comportar comopartículas em interação, para um buraco negro semicla¡ssico, para um buraco negro altamente qua¢ntico. Crédito: Kobrin et al.

Nos últimos anos, muitos fa­sicos em todo o mundo conduziram pesquisas investigando o caos em sistemas qua¢nticos compostos departículas de interação forte, também conhecido como caos de muitos corpos. O estudo do caos de muitos corpos ampliou a compreensão atual da termalização qua¢ntica (ou seja, o processo pelo qual aspartículas qua¢nticas atingem o equila­brio tanãrmico ao interagir umas com as outras) e revelou conexões surpreendentes entre a física microsca³pica e a dina¢mica dos buracos negros.

Pesquisadores da Universidade da Califa³rnia, Berkeley recentemente realizou um estudo examinando o caos de muitos corpos no contexto de uma construção física de renome chamado Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) modelo . O modelo SYK descreve um cluster departículas interagindo aleatoriamente e foi o primeiro sistema qua¢ntico microsca³pico previsto para exibir o caos de muitos corpos.

"Nosso trabalho émotivado pela questãofundamental de quanto rapidamente as informações podem se espalhar em sistemas qua¢nticos de forte interação", disse Bryce Kobrin, um dos pesquisadores que realizaram o estudo. "Ha¡ alguns anos, surgiu uma bela previsão tea³rica que sugeria que, em certos sistemas de alta dimensão, as informações se espalham exponencialmente rápido, ana¡logo ao efeito borboleta no caos cla¡ssico."

Além de levantar a hipa³tese dessa rápida disseminação de informações em certos sistemas de alta dimensão, estudos anteriores provaram que háum limite de velocidade universal na taxa em que esse 'caos' pode se desenvolver. Curiosamente, os aºnicos sistemas conhecidos ou hipotanãticos que atingem esse limite estãointimamente relacionados aos buracos negros ou, mais especificamente, a s teorias qua¢nticas que os descrevem. Uma grande surpresa foi quando os pesquisadores previram que o modelo SYK também satura o limite universal do caos. Essa percepção levou a análises adicionais, indicando que as propriedades de baixa temperatura do modelo SYK são, na verdade, equivalentes a s de um buraco negro carregado.

"Estou animado para investigar outros fena´menos na interseção entre a informação qua¢ntica e a gravidade qua¢ntica ", disse Kobrin. "Por exemplo, estãoprevisto que, ao acoplar duas ca³pias do modelo SYK, pode-se formar um chamado buraco de minhoca atravessa¡vel atravanãs do qual as informações podem ser comunicadas. Este éum resultado altamente contra-intuitivo que demonstra que o caos qua¢ntico pode, de fato, ajudar a mover informações de um lugar para outro. "


Embora essas ideias tenham sido apoiadas por ca¡lculos teóricos, verificar sua validade e observar o caos qua¢ntico em simulações numanãricas provou ser um desafio permanente. Kobrin e seus colegas começam a investigar a natureza caa³tica do modelo SYK. Eles fizeram isso simulando a dina¢mica de sistemas excepcionalmente grandes usando técnicas numanãricas de ponta que desenvolveram. Posteriormente, eles analisaram os dados que coletaram usando um manãtodo baseado em ca¡lculos da gravidade qua¢ntica.

"Em função da temperatura, observamos a mudança do sistema de se comportar comopartículas comuns interagindo para concordar precisamente com o comportamento previsto de um buraco negro qua¢ntico", disse Kobrin. "Ao desenvolver novos procedimentos para analisar nossos resultados, determinamos a taxa de caos e mostramos explicitamente que, em baixas temperaturas, ele se aproximava do limite superior tea³rico."

Kobrin e seus colegas reuniram evidaªncias numanãricas diretas de um novo fena´meno dina¢mico, a saber, o caos de muitos corpos, que traduz o caos da meca¢nica cla¡ssica em sistemas qua¢nticos de forte interação. Suas descobertas também destacam a valiosa interação entre as simulações qua¢nticas e as teorias da gravidade qua¢ntica.

Enquanto em seu estudo recente, os pesquisadores usaram as ferramentas numanãricas que criaram para examinar o caos de muitos corpos no modelo SYK, no futuro as mesmas técnicas poderiam ser aplicadas a outros modelos que são difa­ceis de examinar usando estruturas de análise comuns. Em última análise, isso poderia ajudar na busca conta­nua por sistemas qua¢nticos que exibem o mesmo comportamento dos buracos negros. Por fim, os manãtodos empregados por essa equipe de pesquisadores também podem inspirar o desenvolvimento de técnicas experimentais para simular a dina¢mica qua¢ntica em hardware qua¢ntico controla¡vel, por exemplo, usando matrizes de a¡tomos frios ou a­ons aprisionados.

"Estou animado para investigar outros fena´menos na interseção entre a informação qua¢ntica e a gravidade qua¢ntica ", disse Kobrin. "Por exemplo, estãoprevisto que, ao acoplar duas ca³pias do modelo SYK, pode-se formar um chamado buraco de minhoca atravessa¡vel atravanãs do qual as informações podem ser comunicadas. Este éum resultado altamente contra-intuitivo que demonstra que o caos qua¢ntico pode, de fato, ajudar a mover informações de um lugar para outro. "

 

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