Układy kwantowe w stanie nierównowagi
Każda materia zmienia swój stan pod wpływem nagrzewania lub schładzania. Choć można by się spodziewać, że w temperaturze zera absolutnego nie są możliwe zmiany stanu, to w rzeczywistości w takich warunkach zachodzą fluktuacje kwantowe. Poprzez przyłożenie ciśnienia lub pola magnetycznego ta forma wzbudzenia, nieznaczna w temperaturze pokojowej, ulega wzmocnieniu, czego efektem jest zmiana stanu. Naukowcy uważają, że ten kwantowy punkt krytyczny jest kluczem do wyjaśnienia wielu niezwykłych właściwości materii. W ramach projektu QUANTUM QUENCH (Universality in the non-equilibrium dynamics of strongly correlated quantum systems), finansowanego ze środków UE, uczeni starali się opracować model teoretyczny umożliwiający zbadanie, co dzieje się przy przekraczaniu kwantowego punktu krytycznego w stanie nierównowagi. Prace koncentrowały się na układzie odizolowanym od otoczenia, który może powstawać w eksperymentach kwantowych na zimnych atomach po wyprowadzeniu go ze stanu równowagi. Naukowcy zdecydowali się zburzyć ten stan równowagi przy pomocy tzw. techniki quantum quench. Polega ona na nagłej zmianie parametru układu i pozwoleniu mu na niezależne ewoluowanie. Zespół QUANTUM QUENCH przeanalizował właściwości splątania po operacji "quantum quench" i wykazał, że przypominają one termodynamiczne entropie uogólnionego zespołu opisującego stan ustalony. Konwencjonalne zespoły termodynamiczne nie opisują kwantowych układów wielociałowych przejawiających konserwatywne wielkości nietrywialne. Przewiduje się, że zespoły uogólnione powinny zmaksymalizować ich entropię. Jednak wbrew poglądowi rozpowszechnionemu wśród naukowców, przewidywania zespołów uogólnionych nie pozwoliły na uchwycenie stanu ustalonego po operacji quantum quench. Opracowano zatem alternatywny opis teoretyczny, zgodny z ewolucją układu w czasie w miarę jego numerycznego obliczania. Badania te doprowadziły ostatecznie do opracowania nowej nieperturbacyjnej metody numerycznej, umożliwiającej analizowanie ewolucji stanu nierównowagi silnie oddziałujących układów. Metodę tę porównano z dokładnymi rezultatami analitycznymi dostępnymi w literaturze dotyczącej techniki quantum quench. Prace przeprowadzone w ramach projektu QUANTUM QUENCH otworzyły drogę do dokładniejszego poznania zamkniętych kwantowych układów wielociałowych, przynosząc szerokie implikacje dla precyzyjnych pomiarów i komputerów kwantowych.
Słowa kluczowe
Kwantowy układ wielociałowy, dynamika stanu nierównowagi, kwantowy punkt krytyczny, QUANTUM QUENCH, termalizacja, splątanie kwantowe
