Um avanço teórico na compreensão do caos quântico poderia abrir novos caminhos para a pesquisa de informações quânticas e computação quântica, física de muitos corpos, buracos negros e a ainda indescritível transição quântica para a clássica.
“Ao aplicar o ganho e a perda de energia equilibrados a um sistema quântico aberto, encontramos uma maneira de superar uma limitação anteriormente mantida que assumia que as interações com o ambiente circundante diminuiriam o caos quântico”, disse Avadh Saxena, físico teórico do Los Alamos National Laboratory e membro da equipe que publicou o artigo sobre o caos quântico em Physical Review Letters . “Esta descoberta aponta para novas direções no estudo de simulações quânticas e teoria da informação quântica”.

O caos quântico difere da teoria do caos da física clássica. Este último busca entender padrões e sistemas determinísticos (ou não aleatórios) que são altamente sensíveis às condições iniciais. O chamado efeito borboleta é o exemplo mais familiar, segundo o qual o bater das asas de uma borboleta no Texas poderia, por meio de uma cadeia de causa e efeito desconcertantemente complicada, mas não aleatória, levar a um tornado no Kansas.

Por outro lado, o caos quântico descreve sistemas dinâmicos clássicos caóticos em termos de teoria quântica. O caos quântico é responsável pela confusão de informações que ocorrem em sistemas complexos, como buracos negros. Ela se revela nos espectros de energia do sistema, na forma de correlações entre seus modos e frequências característicos.

Acredita-se que, à medida que um sistema quântico perde coerência, ou sua "quantidade", ao se acoplar ao ambiente fora do sistema - a chamada transição quântica para a clássica -, as assinaturas do caos quântico são suprimidas. Isso significa que eles não podem ser explorados como informação quântica ou como um estado que pode ser manipulado.

Acontece que isso não é inteiramente verdade. Saxena, os físicos Aurelia Chenu e Adolfo del Campo da Universidade de Luxemburgo e colaboradores descobriram que as assinaturas dinâmicas do caos quântico são realmente aprimoradas, não suprimidas, em alguns casos.

"Nosso trabalho desafia a expectativa de que a decoerência geralmente suprime o caos quântico", disse Saxena.

Os valores de energia nos espectros do sistema quântico eram anteriormente considerados números complexos - isto é, números com um componente de número imaginário - e, portanto, não úteis em um cenário experimental. Mas, adicionando ganho e perda de energia em pontos simétricos do sistema, a equipe de pesquisa encontrou valores reais para os espectros de energia, desde que a força do ganho ou perda esteja abaixo de um valor crítico.

“Ganho e perda de energia equilibrados fornecem um mecanismo físico para realizar em laboratório o tipo de filtragem espectral de energia que se tornou onipresente em estudos teóricos e numéricos de sistemas quânticos complexos de muitos corpos”, disse del Campo. "Especificamente, ganho e perda de energia equilibrados na defasagem de energia levam ao filtro espectral ideal. Assim, pode-se alavancar ganho e perda de energia equilibrados como uma ferramenta experimental não apenas para investigar o caos quântico, mas para estudar sistemas quânticos de muitos corpos em geral."

Ao alterar a decoerência, explicam Saxena e del Campo, o filtro permite um melhor controle da distribuição de energia no sistema. Isso pode ser útil em informações quânticas, por exemplo.

"A decoerência limita a computação quântica, portanto, como o aumento do caos quântico reduz a decoerência, você pode continuar computando por mais tempo", disse Saxena.

O artigo da equipe baseia-se no trabalho teórico anterior de Carl Bender (da Universidade de Washington em St. Louis e ex-estudioso da Ulam em Los Alamos) e Stefan Boettcher (ex-Los Alamos e agora na Emory University). Eles descobriram que, ao contrário do paradigma aceito do início do século XX, alguns sistemas quânticos produziam energias reais sob certas simetrias, embora seu Hamiltoniano não fosse Hermitiano, o que significa que satisfaz certas relações matemáticas. Em geral, tais sistemas são conhecidos como hamiltonianos não-hermitianos. Um hamiltoniano define a energia do sistema.

"O entendimento predominante era que a decoerência suprime o caos quântico para sistemas Hermitianos, com valores reais de energia", disse Saxena. "Então pensamos, e se pegarmos um sistema não-Hermitiano?"

O trabalho de pesquisa estudou o exemplo de bombear energia para um guia de ondas em um ponto específico - esse é o ganho - e depois bombear energia novamente - a perda - simetricamente. O guia de ondas é um sistema aberto, capaz de trocar energia com o meio ambiente. Em vez de causar decoerência, eles descobriram, o processo e as interações aumentam a coerência e o caos quântico. + Explorar mais

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