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Sistemas cuánticos fuera del equilibrio

El desarrollo de técnicas experimentales que evitan la disipación de energía en sistemas cuánticos de muchos cuerpos ha despertado el interés de un grupo de científicos financiado por la Unión Europea que estudia la dinámica fuera del equilibrio.
Sistemas cuánticos fuera del equilibrio
Toda la materia cambia de estado al calentarse o enfriarse. Aunque sería de esperar que no queden muchas opciones de variación a temperatura cero, en la que no hay fluctuaciones térmicas, lo cierto es que, en la naturaleza, siguen existiendo fluctuaciones cuánticas. Al aplicar presión o un campo magnético, esta forma de agitación tan débil a temperatura ambiente se puede amplificar hasta provocar un cambio de estado.

Los científicos creen que en este punto crítico cuántico reside la clave de muchas propiedades misteriosas de la materia. En el marco del proyecto QUANTUM QUENCH (Universality in the non-equilibrium dynamics of strongly correlated quantum systems), financiado por la Unión Europea, buscaron desarrollar una infraestructura teórica que describa lo que sucede al salir del equilibrio en el punto crítico cuántico.

Se centraron en un sistema aislado de su entorno que puede aparecer en experimentos cuánticos con átomos fríos después de sacarlo del estado de equilibrio. La forma en la que los científicos optaron por sacar el sistema del equilibrio fue mediante la pérdida de energía cuántica. En particular, se modificó bruscamente un parámetro del sistema y se permitió al sistema evolucionar de forma independiente.

El equipo de QUANTUM QUENCH analizó las propiedades de entrelazamiento después de la pérdida de energía cuántica y mostraron que se parecen a las entropías termodinámicas de la estructura generalizada que describe el estado estacionario. Las estructuras de la termodinámica convencional no pueden describir los sistemas cuánticos de muchos cuerpos que presentan cantidades conservadas no triviales. Las estructuras generalizadas han predicho la maximización de su entropía.

No obstante, en contra de la creencia común entre los científicos, las predicciones de las estructuras generalizadas no sirven para describir el estado estacionario después de la pérdida de energía cuántica. Por consiguiente, se desarrolló una descripción teórica alternativa que concuerda con la evolución temporal del sistema calculada numéricamente.

Esta línea de investigación dio lugar a un nuevo método numérico no perturbativo para estudiar la evolución de sistemas con interacciones fuertes fuera del equilibrio. El método se ha comparado con resultados analíticos exactos disponibles en la literatura sobre pérdidas de energía cuántica.

El trabajo de QUANTUM QUENCH ha abierto una nueva vía de estudio para conocer mejor los sistemas cuánticos cerrados de muchos cuerpos que podría tener efecto sobre las mediciones de precisión y la computación cuántica.

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Palabras clave

Sistema cuántico de muchos cuerpos, dinámica fuera del equilibrio, punto crítico cuántico, QUANTUM QUENCH; termalización, entrelazamiento cuántico
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