Un avance teórico en la comprensión del caos cuántico podría abrir nuevos caminos en la investigación de la información cuántica y la computación cuántica, la física de muchos cuerpos, los agujeros negros y la aún esquiva transición cuántica a clásica.

"Al aplicar una ganancia y pérdida de energía equilibrada a un sistema cuántico abierto, encontramos una manera de superar una limitación que se tenía anteriormente que suponía que las interacciones con el entorno circundante disminuirían el caos cuántico", dijo Avadh Saxena, físico teórico del Laboratorio Nacional de Los Álamos y miembro del equipo que publicó el artículo sobre el caos cuántico en Physical Review Letters . "Este descubrimiento apunta a nuevas direcciones en el estudio de las simulaciones cuánticas y la teoría de la información cuántica".

El caos cuántico difiere de la teoría del caos de la física clásica. Este último busca comprender patrones y sistemas deterministas (o no aleatorios) que son altamente sensibles a las condiciones iniciales. El llamado efecto mariposa es el ejemplo más conocido, en el que el aleteo de una mariposa en Texas podría, a través de una cadena de causa y efecto desconcertantemente complicada pero no aleatoria, conducir a un tornado en Kansas.

Por otro lado, el caos cuántico describe sistemas dinámicos clásicos caóticos en términos de teoría cuántica. El caos cuántico es responsable de la codificación de la información que se produce en sistemas complejos como los agujeros negros. Se revela en los espectros de energía del sistema, en forma de correlaciones entre sus modos y frecuencias característicos.

Se ha creído que a medida que un sistema cuántico pierde coherencia, o su "cuanticidad", al acoplarse al entorno fuera del sistema, la llamada transición cuántica a clásica, se suprimen las firmas del caos cuántico. Eso significa que no se pueden explotar como información cuántica o como un estado que se puede manipular.

Resulta que eso no es del todo cierto. Saxena, los físicos Aurelia Chenu y Adolfo del Campo de la Universidad de Luxemburgo y sus colaboradores descubrieron que las firmas dinámicas del caos cuántico en realidad se mejoran, no se suprimen, en algunos casos.

"Nuestro trabajo desafía la expectativa de que la decoherencia generalmente suprime el caos cuántico", dijo Saxena.

Anteriormente se pensaba que los valores de energía en los espectros del sistema cuántico eran números complejos, es decir, números con un componente de número imaginario, y por lo tanto no eran útiles en un entorno experimental. Pero al agregar la ganancia y la pérdida de energía en puntos simétricos del sistema, el equipo de investigación encontró valores reales para los espectros de energía, siempre que la fuerza de la ganancia o la pérdida esté por debajo de un valor crítico.

"La ganancia y pérdida de energía equilibrada proporciona un mecanismo físico para realizar en el laboratorio el tipo de filtrado espectral de energía que se ha vuelto omnipresente en los estudios teóricos y numéricos de sistemas cuánticos complejos de muchos cuerpos", dijo del Campo. "Específicamente, la ganancia y pérdida de energía equilibrada en el desfase de energía conduce al filtro espectral óptimo. Por lo tanto, uno podría aprovechar la ganancia y pérdida de energía equilibrada como una herramienta experimental no solo para investigar el caos cuántico sino también para estudiar sistemas cuánticos de muchos cuerpos en general".

Al cambiar la decoherencia, explicaron Saxena y del Campo, el filtro permite un mejor control de la distribución de energía en el sistema. Eso puede ser útil en información cuántica, por ejemplo.

"La decoherencia limita la computación cuántica, por lo que se deduce que debido a que el aumento del caos cuántico reduce la decoherencia, se puede seguir computando por más tiempo", dijo Saxena.

El artículo del equipo se basa en el trabajo teórico anterior de Carl Bender (de la Universidad de Washington en St. Louis y ex becario de Ulam en Los Alamos) y Stefan Boettcher (antes de Los Alamos y ahora en la Universidad de Emory). Descubrieron que, contrariamente al paradigma aceptado desde principios del siglo XX, algunos sistemas cuánticos producían energías reales bajo ciertas simetrías aunque su hamiltoniano no fuera hermitiano, lo que significa que satisface ciertas relaciones matemáticas. En general, estos sistemas se conocen como hamiltonianos no hermitianos. Un hamiltoniano define la energía del sistema.

"El entendimiento predominante era que la decoherencia suprime el caos cuántico para los sistemas hermitianos, con valores de energía reales", dijo Saxena. "Así que pensamos, ¿y si tomamos un sistema no hermitiano?"

El trabajo de investigación estudió el ejemplo de bombear energía a una guía de ondas en un punto particular (esa es la ganancia) y luego bombear energía de nuevo (la pérdida) simétricamente. La guía de ondas es un sistema abierto, capaz de intercambiar energía con el medio ambiente. Descubrieron que, en lugar de causar decoherencia, el proceso y las interacciones aumentan la coherencia y el caos cuántico. + Explora más

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