Caracteritzant la sincronització quàntica espontània
29 de juliol de 2019
La sincronització espontània entre diferents unitats que interaccionen és un exemple paradigmàtic de fenomen col·lectiu. En l'última dècada ha crescut l'interès entre la comunitat científica d'investigar aquest fenomen en el context de sistemes quàntics, en els quals no és possible observar la trajectòria temporal d'aquests. Això ha conduït a una gran varietat de maneres en les quals aproximar-se a l'estudi de la sincronització quàntica espontània.
En aquest context, un estudi dut a terme per investigadors de l'Institut de Física Interdisciplinària i Sistemes Complexos (IFISC, UIB-CSIC) i publicat en la revista Physical Review Letters ha estudiat les propietats d'un sistema quàntic amb sincronització
espontània en una xarxa unidimensional.
El sistema plantejat pels investigadors està constituït per un potencial làser que acobla elements quàntics en forma de cadena unidimensional. Cadascun dels elements té dos nivells energètics disponibles, així que a causa del seu caràcter quàntic es podrà trobar en un d'ells o en una superposició de tots dos.
De manera espontània, l'entorn en el qual es troba un sistema quàntic actua com un dissipador i porta al sistema al seu estat de menor energia, augmentant la seva decoherència. D'aquesta manera redueix la seva superposició, que és un fenomen purament quàntic. En el cas en el qual un element es trobi en un nivell determinat (i no en una superposició de tots dos) es considera que l'element quàntic ha sofert decoherència i està en un règim clàssic. La taxa a la qual decau cadascun dels elements del sistema quàntic a un règim clàssic, és a dir, la taxa a la qual augmenta la seva decoherència, es denomina “decay rate” i depèn de les característiques del propi element.
En el sistema plantejat pels investigadors, es van connectar quatre d'aquests elements quàntics en forma de cadena unidimensional. A causa de la interacció que existeix entre els elements en connectar-se, es produeixen diverses excitacions col·lectives que poden mostrar sincronització. Aquesta sincronització és més evident quan una d'aquestes excitacions col·lectives domina sobre la resta, és a dir, es veu menys afectada per l'entorn dissipatiu. Aquest fenomen espontani s'aprecia en els observables dels elements connectats, que comencen a oscil·lar de manera coherent.
Els investigadors van trobar que quanta major és la diferència en el “decay rate”, més dominant és una de les excitacions col·lectives i per tant major sincronització apareix en el sistema. És a dir, la sincronització entre les unitats quàntiques és major quant majors són les diferències entre les característiques d'aquestes.
Un dels aspectes més destacables de l'estudi és la seva universalitat. Les propietats oposades són extensibles a qualsevol sistema quàntic de dos nivells, com pot ser un conjunt d'àtoms freds, és a dir, a baixa energia.
Cabot, Albert; Giorgi, Gian Luca; Galve, Fernando; Zambrini, Roberta
Physical Review Letters 123, 023604 (1-6) (2019). DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.023604
