Kwantowy chaos w sieciach mikrofalowych

Fizycy z PAN - analizując zjawiska chaotyczne i promieniowanie mikrofalowe - wykazali, że możliwe jest pełne poznanie właściwości badanych systemów - takich jak symetria ze względu na odwrócenie czasu, czy też liczba niewykrytych w pomiarze poziomów energetycznych.

Wyniki prac naukowców z Instytutu Fizyki PAN w Warszawie zostały opublikowane w najnowszym numerze prestiżowego amerykańskiego czasopisma naukowego "Physical Review Letters" (https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.144101). 

Jedną z konsekwencji tzw. Zasady Komplementarności, określającej fundamentalne związki pomiędzy klasycznym i kwantowo-mechanicznym opisem świata, jest hipoteza o klasycznym pochodzeniu zjawisk chaosu kwantowego. Efekty zjawisk chaotycznych w przyrodzie znamy od dawna z obserwacji astronomicznych ruchów ciał niebieskich, z modelowania takich zjawisk jak prognoza pogody, z przepływów turbulentnych cieczy i gazów czy istnienia szumów w układach elektronicznych.

Pomimo olbrzymich sukcesów teorii chaosu - zarówno w zastosowaniu do układów klasycznych, jak i kwantowych, otwartym pozostawało pytanie, w jaki sposób należy analizować układy kwantowo-mechaniczne, o których informacja jest niepełna. Pytanie to jest szczególnie ważne w kontekście badań doświadczalnych, które bardzo często są niejednoznaczne albo niepełne ze względu na utratę lub niemożliwość uzyskania istotnych informacji (takich jak informacje o wszystkich poziomach w widmie energetycznym analizowanego układu kwantowego lub falowego).

Właśnie w takich nadzwyczaj trudnych sytuacjach wykorzystuje się nową metodę badania zjawisk chaosu, jaką jest modelowanie układów chaotycznych za pomocą sieci mikrofalowych. Dzięki matematycznej analogii sieci mikrofalowych z grafami kwantowymi metoda ta pozwala na wykonanie pomiarów trudnych lub wręcz niemożliwych dziś do zrealizowania w świecie kwantowym.

Naukowcy z Instytutu Fizyki Polskiej Akademii Nauk (IF PAN) pod kierunkiem profesora Leszka Sirko (Sz. Bauch, M. Białous, B. Dietz, M. Ławniczak i V. Yunko) w doświadczeniu wykorzystującym promieniowanie mikrofalowe i chaotyczne właściwości badanych systemów wykazali, że pełne poznanie ich właściwości, takich jak symetria ze względu na odwrócenie czasu, czy też liczba zgubionych (tzn. niewykrytych w pomiarze) poziomów energetycznych, jest jednak możliwe. W doświadczeniu przeprowadzonym w IF PAN wykorzystano właśnie oryginalne sieci mikrofalowe, wprowadzone do literatury światowej przez prof. Leszka Sirko.

W analizie wyników doświadczalnych wykorzystano zależność funkcji korelacji poziomów energetycznych od tego, jak dużo ich zgubiono w pomiarze - i od symetrii czasowej badanego układu. W ten sposób nie tylko wykazano, że w trakcie pomiarów zgubiono określoną liczbę poziomów energetycznych, ale też wykryto, jaką symetrię ze względu na odwrócenie czasu ma ten układ.

W przyszłości wyniki badań rozchodzenia się promieniowania w sieciach mogą znaleźć zastosowania techniczne, np. w akustyce przy projektowaniu sali koncertowych i tłumieniu hałasu, a także w elektronice i telekomunikacji. Metody matematyczne używane do opisu chaosu kwantowego znajdują natomiast zastosowanie w innych dziedzinach nauki włącznie z ekonomią i naukami humanistycznymi.

Badania sfinansowano ze środków publicznych, w tym z grantu Narodowego Centrum Nauki oraz projektu FP7 EAgLE.

Źródło: PAP - Nauka w Polsce