En los ultimos años, Muchos físicos en todo el mundo han realizado investigaciones que investigan el caos en sistemas cuánticos compuestos por partículas que interactúan fuertemente, también conocido como caos de muchos cuerpos. El estudio del caos de muchos cuerpos ha ampliado la comprensión actual de la termalización cuántica (es decir, el proceso a través del cual las partículas cuánticas alcanzan el equilibrio térmico al interactuar entre sí) y revelaron conexiones sorprendentes entre la física microscópica y la dinámica de los agujeros negros.

Investigadores de la Universidad de California, Berkeley ha llevado a cabo recientemente un estudio que examina el caos de muchos cuerpos en el contexto de una construcción física de renombre llamada modelo Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). El modelo SYK describe un grupo de partículas que interactúan aleatoriamente y fue el primer sistema cuántico microscópico que se predice que exhibirá un caos de muchos cuerpos.

"Nuestro trabajo está motivado por la cuestión fundamental de qué tan rápido se puede difundir la información en sistemas cuánticos que interactúan fuertemente, "Bryce Kobrin, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Hace unos pocos años, surgió una hermosa predicción teórica que sugirió que en ciertos sistemas de alta dimensión, la información se difunde exponencialmente rápido, análogo al efecto mariposa en el caos clásico ".

Además de plantear la hipótesis de esta rápida difusión de información en ciertos sistemas de alta dimensión, estudios previos demostraron que existe un límite de velocidad universal en la velocidad a la que puede desarrollarse este "caos". Curiosamente, los únicos sistemas conocidos o hipotéticos que alcanzan este límite están estrechamente relacionados con los agujeros negros, o más específicamente, teorías cuánticas que describen los agujeros negros. Una gran sorpresa fue cuando los investigadores predijeron que el modelo SYK también satura el límite universal del caos. Esta idea condujo a análisis adicionales que indican que las propiedades de baja temperatura del modelo SYK son, en efecto, equivalente a la de un agujero negro cargado.

Aunque estas ideas han sido apoyadas por cálculos teóricos, verificar su validez y observar el caos cuántico en simulaciones numéricas ha demostrado hasta ahora ser un desafío duradero. Kobrin y sus colegas se propusieron investigar la naturaleza caótica del modelo SYK. Lo hicieron simulando la dinámica de sistemas excepcionalmente grandes utilizando técnicas numéricas de vanguardia que desarrollaron. Después, analizaron los datos que recopilaron utilizando un método basado en cálculos de gravedad cuántica.

"En función de la temperatura, observamos el cambio del sistema de comportarse como partículas en interacción ordinarias a coincidir precisamente con el comportamiento predicho de un agujero negro cuántico, "Dijo Kobrin." Al desarrollar nuevos procedimientos para analizar nuestros resultados, determinamos la tasa de caos y mostramos explícitamente que, a bajas temperaturas, se acercó al límite superior teórico ".

Kobrin y sus colegas reunieron evidencia numérica directa de un nuevo fenómeno dinámico, es decir, el caos de muchos cuerpos, que traduce el caos de la mecánica clásica a sistemas cuánticos que interactúan fuertemente. Sus hallazgos también destacan la valiosa interacción entre las simulaciones cuánticas y las teorías de la gravedad cuántica.

Mientras que en su estudio reciente, los investigadores utilizaron las herramientas numéricas que crearon para examinar el caos de muchos cuerpos en el modelo SYK, en el futuro, las mismas técnicas podrían aplicarse a otros modelos que son difíciles de examinar utilizando marcos de análisis comunes. Por último, esto podría ayudar a la búsqueda en curso de sistemas cuánticos que exhiban el mismo comportamiento que los agujeros negros. Finalmente, Los métodos empleados por este equipo de investigadores también podrían inspirar el desarrollo de técnicas experimentales para simular la dinámica cuántica en hardware cuántico controlable. por ejemplo, utilizando matrices de átomos fríos o iones atrapados.

"Estoy emocionado de investigar otros fenómenos en la intersección entre la información cuántica y la gravedad cuántica, "Dijo Kobrin." Por ejemplo, Se predice que al acoplar dos copias del modelo SYK, se puede formar el llamado agujero de gusano atravesable a través del cual se puede comunicar la información. Este es un resultado altamente contradictorio que demuestra que el caos cuántico puede, De hecho, ayudar a mover información de un lugar a otro ".

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