Um diagrama de fase esquemático que mostra o comportamento do modelo Sachdev-Ye-Kitaev para diferentes regimes de temperatura e tamanho do sistema. De alta para baixa temperatura, as transições do modelo de se comportar como partículas em interação, a um buraco negro semiclássico, para um buraco negro altamente quântico. Crédito:Kobrin et al.
Ao longo dos últimos anos, muitos físicos em todo o mundo realizaram pesquisas investigando o caos em sistemas quânticos compostos de partículas de interação forte, também conhecido como caos de muitos corpos. O estudo do caos de muitos corpos ampliou a compreensão atual da termalização quântica (ou seja, o processo pelo qual as partículas quânticas atingem o equilíbrio térmico ao interagir umas com as outras) e revelou conexões surpreendentes entre a física microscópica e a dinâmica dos buracos negros.
Pesquisadores da Universidade da Califórnia, Berkeley realizou recentemente um estudo examinando o caos de muitos corpos no contexto de uma construção física renomada chamada modelo Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). O modelo SYK descreve um cluster de partículas interagindo aleatoriamente e foi o primeiro sistema quântico microscópico previsto para exibir o caos de muitos corpos.
"Nosso trabalho é motivado pela questão fundamental de quão rapidamente as informações podem se espalhar em sistemas quânticos de forte interação, "Bryce Kobrin, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Alguns anos atrás, surgiu uma bela previsão teórica que sugeria que, em certos sistemas de alta dimensão, a informação se espalha exponencialmente rápido, análogo ao efeito borboleta no caos clássico. "
Além de levantar a hipótese dessa rápida disseminação de informações em certos sistemas de alta dimensão, estudos anteriores provaram que há um limite de velocidade universal na taxa em que esse 'caos' pode se desenvolver. Interessantemente, os únicos sistemas conhecidos ou hipotéticos que atingem esse limite estão intimamente relacionados aos buracos negros, ou mais especificamente, teorias quânticas que descrevem os buracos negros. 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, equivalente ao de um buraco negro carregado.
Embora essas ideias tenham sido apoiadas por cálculos teóricos, verificar sua validade e observar o caos quântico em simulações numéricas provou ser um desafio permanente. Kobrin e seus colegas começaram a investigar a natureza caótica do modelo SYK. Eles fizeram isso simulando a dinâmica de sistemas excepcionalmente grandes usando técnicas numéricas de ponta que desenvolveram. Subseqüentemente, eles analisaram os dados que coletaram usando um método baseado em cálculos da gravidade quântica.
“Em função da temperatura, observamos a mudança do sistema de se comportar como partículas comuns interagindo para concordar precisamente com o comportamento previsto de um buraco negro quântico, "Kobrin disse." Ao desenvolver novos procedimentos para analisar nossos resultados, determinamos a taxa de caos e mostramos explicitamente que, em baixas temperaturas, aproximou-se do limite superior teórico. "
Kobrin e seus colegas reuniram evidências numéricas diretas de um novo fenômeno dinâmico, ou seja, o caos de muitos corpos, que traduz o caos da mecânica clássica para sistemas quânticos de forte interação. Suas descobertas também destacam a valiosa interação entre as simulações quânticas e as teorias da gravidade quântica.
Enquanto em seu estudo recente, os pesquisadores usaram as ferramentas numéricas que criaram para examinar o caos de muitos corpos no modelo SYK, no futuro, as mesmas técnicas podem ser aplicadas a outros modelos que são difíceis de examinar usando estruturas de análise comuns. Em última análise, isso poderia ajudar na busca contínua por sistemas quânticos que exibem o mesmo comportamento dos buracos negros. Finalmente, os métodos empregados por esta equipe de pesquisadores também podem inspirar o desenvolvimento de técnicas experimentais para simular a dinâmica quântica em hardware quântico controlável, por exemplo, usando matrizes de átomos frios ou íons aprisionados.
"Estou animado para investigar outros fenômenos na interseção entre a informação quântica e a gravidade quântica, "Kobrin disse." Por exemplo, prevê-se que, por meio do acoplamento de duas cópias do modelo SYK, pode-se formar um chamado buraco de minhoca atravessável, através do qual as informações podem ser comunicadas. Este é um resultado altamente contra-intuitivo que demonstra que o caos quântico pode, na verdade, ajudar a mover informações de um lugar para outro. "
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