(Phys.org)—Depuis les premiers jours de la mécanique quantique, on pense que la dynamique de désintégration des systèmes quantiques instables suit une loi de désintégration exponentielle, tout comme celui utilisé pour décrire la désintégration radioactive et de nombreux autres processus naturels. La loi exponentielle dans le domaine quantique a été initialement proposée par George Gamow et développée plus tard par Eugene Wigner et Victor Weisskopf. Selon cette loi, lorsqu'on lui donne un échantillon d'atomes instables, le nombre de ceux qui sont susceptibles de se désintégrer pendant une brève période de temps est proportionnel au nombre d'atomes présents.

Dans les années qui ont suivi, cependant, les physiciens ont découvert que des écarts par rapport à la loi exponentielle peuvent se produire dans des systèmes quantiques instables, mais seulement dans ceux qui sont isolés de l'environnement extérieur. En effet, les systèmes isolés sont exempts de décohérence environnementale, ce qui permet aux produits de désintégration quantique de se reconstruire dans leur état initial, états pré-décomposés. Par conséquent, la décroissance est initialement plus lente que celle prédite par la loi exponentielle, et dans les stades ultérieurs, la décroissance présente souvent un comportement en loi de puissance. Les chercheurs ont déjà montré que cette décroissance non exponentielle peut être exploitée pour le contrôle quantique.

Maintenant dans une nouvelle étude, les physiciens ont théoriquement montré que les processus de désintégration quantique peuvent s'écarter de la loi de désintégration exponentielle non seulement lorsque le système est isolé, mais même lorsqu'il est en contact avec l'environnement extérieur. Les résultats suggèrent qu'un système quantique instable peut se désintégrer et par la suite revenir à son état d'origine, même en présence de décohérence environnementale.

Les physiciens, dirigé par Adolfo del Campo à l'Université du Massachusetts, et notamment des collègues de l'Université du Pays Basque et de l'Université d'Aberystwyth, ont publié un article sur l'existence de la désintégration quantique non exponentielle dans les systèmes ouverts dans un récent numéro de Lettres d'examen physique .

"Des études antérieures ont soutenu que les écarts par rapport à la loi exponentielle étaient absents dans les systèmes quantiques "ouverts" réalistes, en raison de leur contact avec l'environnement (tout ce qui se trouve dans l'environnement), " del Campo a dit Phys.org . "Nos travaux établissent l'existence d'une décroissance non exponentielle dans les systèmes quantiques ouverts, et nous l'avons démontré dans un cadre paradigmatique, celui du mouvement brownien quantique."

Comme l'ont montré les scientifiques, la désintégration quantique d'un système caractérisé par un mouvement brownien quantique résulte du contact du système avec des bains thermaux. Ils ont constaté que cette décroissance est complètement régie par des écarts par rapport à la loi exponentielle, et qu'il peut être possible d'observer cette décroissance en laboratoire.

Les nouveaux résultats concordent également avec les résultats expérimentaux de 2006, dans lequel les physiciens ont observé que la luminescence décroissante dans un système ouvert viole la loi de décroissance exponentielle. En général, la nouvelle étude montre que des écarts par rapport à la désintégration exponentielle dans les systèmes quantiques ouverts sont présents dans de nombreux cas courants de désintégration quantique.

Globalement, les résultats ont des implications potentielles pour un large éventail de domaines. Par exemple, ils devraient conduire à une meilleure compréhension de la décohérence quantique et aider à tester les théories qui invoquent l'effondrement de la fonction d'onde quantique. Ils ont aussi des applications pour le « brouillage » de l'information quantique, ainsi que pour la cosmologie quantique.

« La dynamique des systèmes quantiques ouverts, c'est-à-dire tout système quantique intégré dans un environnement, intéresse une grande variété de domaines allant de la dynamique chimique quantique à la thermodynamique, " del Campo a déclaré. "Nos résultats s'appliquent à pratiquement tous les domaines traitant de la dynamique des systèmes ouverts. Dans les fondements de la physique, ils régissent l'émergence dynamique du comportement classique, celui que nous percevons, du monde quantique microscopique sous-jacent."

Les résultats suggèrent également d'autres directions de recherche.

« Dans la mesure où nous considérons la théorie quantique comme la description fondamentale de la Nature, l'existence d'événements de retour pour régénérer un état initial d'un système est en fait assez amusante et choquante, " a déclaré del Campo. "Et c'est d'autant plus le cas lorsque de tels événements se produisent avec des environnements oublieux, sans mémoire. Cela signifie qu'il est possible pour un système de revenir à son état dans un passé lointain au cours de son évolution.

"Dans l'esprit de la science-fiction, si les mêmes hypothèses et description mathématique s'appliquaient dans le monde macroscopique, ce système pourrait être aussi complexe que vous et moi. Encore, Je ne pense pas que nous devrions nous fier à celui-là. La loi exponentielle fournit déjà une merveilleuse approximation pour décrire la désintégration de systèmes aussi petits qu'un atome radioactif. Il est juste de dire que le rôle de la complexité du système reste à clarifier, faisant de l'étude de la désintégration quantique dans les systèmes à plusieurs particules un domaine passionnant pour de futures recherches. »

© 2017 Phys.org