Investigadors de l’IFISC proposen un model per a simular sistemes quàntics oberts Markovians

Un equip internacional d'investigadors liderat per científics de l’IFISC (UIB-CSIC) ha publicat un treball en el qual es proposa un nou mètode per a simular la dinàmica dels sistemes quàntics oberts. La recerca, publicada en la revista Physical Review Letters, proposa una nova aproximació als sistemes quàntics oberts markovians a partir de la teoria de la física estadística i els models de col·lisió, obrint la porta a futures simulacions quàntiques que permetin comprendre millor el seu comportament.

En el camp de la física es distingeixen dos tipus de sistemes: els oberts i els tancats. D'una banda, els sistemes tancats es consideren aïllats de la resta del món i la seva evolució està determinada únicament per la seva pròpia dinàmica interna. D'altra banda, els sistemes oberts permeten la interacció del propi sistema amb l'entorn, però aquest intercanvi d'energia o informació ha de ser modelat. Aquesta distinció també s'aplica als sistemes quàntics. És precisament aquesta interacció entre l'entorn i el sistema el que fa que els sistemes quàntics oberts siguin més difícils de treballar a causa de la seva naturalesa quàntica. No obstant això, si l'entorn no guarda memòria de la dinàmica del sistema, aquest pot modelitzar-se amb una equació mestra markoviana ben coneguda i definida.

L'article publicat pels investigadors proposa un nou model de col·lisió que aplica teories conegudes de la física estadística a aquests sistemes quàntics oberts per a simular la seva interacció amb l'entorn. És a dir, donat un sistema quàntic dividit en diversos subsistemes locals, la seva dinàmica pot obtenir-se fent que aquests subsistemes interactuïn amb l'entorn mitjançant diversos "xocs" petits i repetits. L'article mostra que aquest model és totalment equivalent a la coneguda equació mestra general. A més, també han demostrat que aquest model pot simular-se de manera eficient en un ordinador quàntic.

Aquest treball és un pas endavant per a la simulació de qualsevol mena de xarxa que modeli sistemes quàntics markovians oberts. Entre les dinàmiques que poden simular-se eficientment es troben, per exemple, els problemes de termodinàmica quàntica, el transport en sistemes oberts complexos o la superradiància.

Collision models can efficiently simulate any multipartite Markovian quantum dynamics. Cattaneo, Marco; De Chiara Gabriele; Maniscalco, Sabrina; Zambrini, Roberta and Giorgi, Gian Luca. Physical Review Letters 126, 130403 (1-8) (2021). DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.130403