Au cours des dernières années, de nombreux physiciens du monde entier ont mené des recherches sur le chaos dans les systèmes quantiques composés de particules en interaction forte, également connu sous le nom de chaos à plusieurs corps. L'étude du chaos à N corps a élargi la compréhension actuelle de la thermalisation quantique (c'est-à-dire, le processus par lequel les particules quantiques atteignent l'équilibre thermique en interagissant les unes avec les autres) et a révélé des liens surprenants entre la physique microscopique et la dynamique des trous noirs.

Chercheurs de l'Université de Californie, Berkeley a récemment mené une étude examinant le chaos à plusieurs corps dans le contexte d'une construction physique renommée appelée le modèle Sachdev-Ye-Kitaev (SYK). Le modèle SYK décrit un amas de particules interagissant de manière aléatoire et a été le premier système quantique microscopique prévu pour présenter un chaos à plusieurs corps.

"Notre travail est motivé par la question fondamentale de savoir à quelle vitesse l'information peut se propager dans des systèmes quantiques fortement interactifs, " Bryce Kobryn, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Il y a quelques années, une belle prédiction théorique a émergé qui a suggéré que dans certains systèmes de grande dimension, l'information se propage à une vitesse exponentielle, analogue à l'effet papillon dans le chaos classique."

En plus d'émettre l'hypothèse de cette diffusion rapide de l'information dans certains systèmes de grande dimension, des études antérieures ont prouvé qu'il existe une limite de vitesse universelle sur la vitesse à laquelle ce « chaos » peut se développer. De façon intéressante, les seuls systèmes connus ou hypothétiques qui atteignent cette limite sont étroitement liés aux trous noirs, ou plus précisément, théories quantiques décrivant les trous noirs. Une surprise majeure a été lorsque les chercheurs ont prédit que le modèle SYK sature également la limite universelle du chaos. Cette idée a conduit à d'autres analyses indiquant que les propriétés à basse température du modèle SYK sont, en effet, équivalent à celui d'un trou noir chargé.

Bien que ces idées aient été étayées par des calculs théoriques, vérifier leur validité et observer le chaos quantique dans les simulations numériques s'est jusqu'à présent avéré être un défi permanent. Kobrin et ses collègues ont entrepris d'étudier la nature chaotique du modèle SYK. Ils l'ont fait en simulant la dynamique de systèmes exceptionnellement grands à l'aide de techniques numériques de pointe qu'ils ont développées. Ensuite, ils ont analysé les données qu'ils ont recueillies à l'aide d'une méthode basée sur des calculs de gravité quantique.

"En fonction de la température, nous avons observé le changement du système de se comporter comme des particules en interaction ordinaires à un accord précis avec le comportement prédit d'un trou noir quantique, " a déclaré Kobrin. " En développant de nouvelles procédures pour analyser nos résultats, nous avons déterminé le taux de chaos et montré explicitement que, à basse température, il s'est approché de la borne supérieure théorique."

Kobrin et ses collègues ont rassemblé des preuves numériques directes d'un nouveau phénomène dynamique, à savoir le chaos à plusieurs corps, qui traduit le chaos de la mécanique classique aux systèmes quantiques à forte interaction. Leurs résultats mettent également en évidence l'interaction précieuse entre les simulations quantiques et les théories de la gravité quantique.

Alors que dans leur étude récente, les chercheurs ont utilisé les outils numériques qu'ils ont créés pour examiner le chaos à N corps dans le modèle SYK, à l'avenir, les mêmes techniques pourraient être appliquées à d'autres modèles difficiles à examiner à l'aide de cadres d'analyse communs. Finalement, cela pourrait aider la recherche en cours de systèmes quantiques qui présentent le même comportement que les trous noirs. Finalement, les méthodes employées par cette équipe de chercheurs pourraient également inspirer le développement de techniques expérimentales pour simuler la dynamique quantique sur du matériel quantique contrôlable, par exemple en utilisant des réseaux d'atomes froids ou d'ions piégés.

"Je suis ravi d'étudier d'autres phénomènes à l'intersection entre l'information quantique et la gravité quantique, " dit Kobryn. "Par exemple, il est prédit qu'en couplant ensemble deux copies du modèle SYK, on peut former un trou de ver traversable à travers lequel des informations peuvent être communiquées. C'est un résultat très contre-intuitif qui démontre que le chaos quantique peut, En réalité, aider à déplacer l'information d'un endroit à un autre."

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