Китайские физики впервые точно измерили, как быстро хаос «разрастается» в сложных квантовых системах при обращении времени вспять

Китайские физики впервые точно измерили, как быстро хаос «разрастается» в сложных квантовых системах при обращении времени вспять. Работа опубликована в журнале Physical Review Letters.

Суть эксперимента: игра со временем и ядрами атомов

Представьте, что у вас есть идеально отлаженный механизм. Если вы прокрутите его назад, он должен вернуться в исходное состояние. В квантовой механике уравнения тоже обратимы. Но на практике, когда ученые пытаются «отмотать время назад» для сложной системы (например, для группы взаимодействующих атомов), они сталкиваются с проблемой: даже мельчайшие ошибки в этом процессе приводят к тому, что система не возвращается в норму, а, наоборот, погружается в хаос.

Команда Ю-Чена Ли из Научно-технического университета Китая решила измерить этот процесс. Они использовали твердотельную ядерно-магнитную резонансную (ЯМР) установку. Проще говоря, они работали с твердым материалом, где ядра атомов (их спины) хаотично взаимодействуют друг с другом.

Что такое «квантовый эффект бабочки»?

В классической теории хаоса «эффект бабочки» означает, что взмах крыльев бабочки в одной части мира может вызвать ураган в другой. Это о чувствительности к начальным условиям: малая погрешность в начале приводит к гигантским расхождениям в конце.

В квантовом мире эффект бабочки проявляется иначе. Здесь ключевую роль играет запутанность — таинственная связь между частицами. Когда квантовая система эволюционирует (развивается во времени), информация о её начальном состоянии не теряется, а «перемешивается» или «скремблируется» (scrambling) среди миллионов запутанных связей. Информация как бы размазывается по системе, становясь недоступной.

Как измерили хаос: Скарамблоны и корреляторы

Главная проблема была в том, чтобы отделить «естественное» квантовое поведение системы от «искусственного» хаоса, вызванного ошибками оборудования (техническими шумами).

Для этого ученые использовали два ключевых понятия:

OTOC (Out-of-Time-Ordered Correlator): Это математический инструмент, который показывает, как быстро информация распространяется и запутывается в системе. Если значение OTOC меняется очень быстро — это признак сильного квантового хаоса.

Скарамблоны (Scramblons): Это теоретическая модель. Скарамблоны — это не реальные частицы, а коллективные возбуждения, которые переносят информацию через сеть запутанных частиц. Используя эту модель, ученые смогли «вычесть» шум от своего оборудования и увидеть чистую картину.

Главный результат

После математической «чистки» данных, команда впервые смогла наблюдать, как хаос в многочастичной квантовой системе растет экспоненциально при попытке обратить время вспять.

Другими словами, они не просто увидели, что система ломается, а точно измерили скорость, с которой эта «поломка» происходит из-за квантовой природы самой системы.

Выводы

Понимание необратимости: Эксперимент объясняет, почему даже идеальные уравнения не позволяют нам «отматывать время назад» для сложных систем. Природа самого хаоса (скремблирования информации) делает это невозможным при малейшем несовершенстве.

Прогресс в квантовых технологиях: Это понимание критически важно для разработки квантовых симуляторов и компьютеров. Если мы хотим использовать квантовые системы для расчетов, нужно точно знать, где заканчиваются ошибки оборудования и начинаются фундаментальные законы квантовой механики, порождающие хаос.

Новый инструмент: Предложенный метод измерения и коррекции данных (с использованием скарамблонов) дает ученым новый инструмент для изучения квантового мира с беспрецедентной точностью.

Физики впервые смогли отделить «технические шумы» от «фундаментального квантового хаоса» и измерили скорость, с которой сложные системы теряют информацию при попытке обратить их эволюцию. Это важный шаг к пониманию границ квантового контроля и создания мощных квантовых компьютеров.

Источник: vk.com

Комментарии: