Multipartite dynamics beyond bipartite entanglement equilibration

Nel mondo silenzioso e isolato di un sistema quantistico, un processo chiamato termalizzazione alla fine prende il sopravvento. Quando un gruppo di particelle viene disturbato, esse iniziano a interagire, diffondendo la loro energia e informazione finché il sistema non si assesta in uno stato di equilibrio. Per decenni, i fisici hanno creduto che una volta avvenuto questo assestamento, la storia fosse effettivamente conclusa. Il sistema aveva raggiunto uno stato stazionario in cui le sue connessioni interne, note come entanglement, si erano saturate. Si pensava che se si misurasse l'entanglement tra una parte del sistema e il resto, si sarebbe trovato un valore piatto e immutabile, segnalando che tutta la dinamica interessante era cessata. Questa visione trattava il sistema come una tazza di caffè che si raffredda: una volta raggiunta la temperatura ambiente, la temperatura smette di cambiare e il processo è terminato.

Tuttavia, un nuovo studio suggerisce che questo quadro è incompleto. I ricercatori hanno scoperto che anche quando le misure standard dell'entanglement smettono di cambiare, il sistema può ancora essere sottoposto a una trasformazione complessa e nascosta. Hanno scoperto che il modo in cui le diverse parti di un sistema sono connesse tra loro può continuare a evolversi molto tempo dopo che le connessioni di base sembrano essersi congelate. Ciò significa che un sistema quantistico può apparire completamente calmo in superficie mentre la sua struttura interna si sta ancora riorganizzando in modi che gli strumenti standard non riescono a vedere. Lo studio rivela che esistono distinti canali di flusso di informazione all'interno di questi sistemi, alcuni dei quali si muovono molto più velocemente di altri, permettendo a una sorta di dinamica più profonda e sottile di persistere anche dopo che il sistema sembra aver raggiunto il suo stato finale.

Il team, guidato da ricercatori della Beihang University e della University of Chinese Academy of Sciences, si è posto l'obiettivo di testare se la "fine" della termalizzazione fosse davvero la fine. Si sono concentrati su una configurazione specifica che coinvolge tre regioni distinte di un sistema quantistico. Nella fisica standard, se si osserva come una regione sia connessa alle altre due combinate, si ottiene un insieme di numeri chiamati spettro. Questi numeri descrivono la forza della connessione. I ricercatori si sono posti una domanda audace: e se questi numeri smettessero di cambiare, diventando perfettamente immobili, mentre il modo in cui le tre regioni sono connesse tra loro continuasse a spostarsi? Avevano proposto che il sistema potesse raggiungere un punto in cui le connessioni di base sono fisse, ma l'intricato schema multi-livello di come tutte e tre le parti si relazionano tra loro è ancora in movimento.

Per investigare su questo, gli scienziati si sono rivolti a due diversi tipi di modelli quantistici. Il primo era un modello matematicamente esatto noto come catena di Ising a impulsi auto-duale (self-dual kicked-Ising chain). In questo modello, il sistema è guidato da una sequenza ripetitiva di impulsi. I ricercatori hanno trovato una finestra temporale precisa in cui la connessione tra una singola regione e il resto del sistema è diventata perfettamente stazionaria. La descrizione matematica di quella singola regione ha smesso completamente di cambiare; era come se quella parte del sistema avesse raggiunto uno stato di riposo permanente. Eppure, quando hanno guardato alla relazione tra tutte e tre le regioni insieme, hanno visto qualcosa di sorprendente. Il complesso schema delle loro connessioni congiunte continuava a cambiare, oscillando e riorganizzandosi anche se le parti individuali erano congelate. Ciò ha dimosto che il sistema può trovarsi in uno stato in cui l'entanglement di base è terminato, ma la struttura multi-particella più profonda è ancora in evoluzione.

Hanno confermato questo fenomeno in un secondo tipo di modello più casuale che coinvolge circuiti di porte quantistiche casuali. In questo scenario, mentre il sistema evolveva, le connessioni di base tra le parti si avvicinavano a uno stato stazionario, ma i modelli multi-particella continuavano a derivare e cambiare per molto tempo dopo. Ciò ha dimostrato che la separazione tra le connessioni di base "finite" e le connessioni complesse "ancora in movimento" non era un colpo di fortuna di un modello specifico, ma una caratteristica generale di come l'informazione quantistica si diffonde.

I ricercatori sono andati oltre per vedere se potessero controllare la velocità di questa evoluzione nascosta. Hanno costruito un sistema basato su un codice di correzione degli errori quantistici, un metodo utilizzato per proteggere l'informazione dal rumore. In questa configurazione, hanno accoppiato il sistema a un "bagno" (bath) di altre particelle che mescolavano l'informazione rapidamente. Hanno osservato che l'entanglement di base tra il sistema e il bagno raggiungeva l'equilibrio molto rapidamente, guidato dalle interazioni rapide e caotiche alla superficie. Tuttavia, le connessioni logiche più profonde, protette all'interno del sistema, evolvevano su una scala temporale molto più lenta. Il legame debole tra l'informazione protetta e il bagno caotico permetteva alla struttura multi-particella complessa di riorganizzarsi lentamente, molto tempo dopo che le connessioni superficiali si erano assestate.

Questa scoperta cambia il modo in cui gli scienziati comprendono la fine della termalizzazione. Suggerisce che il processo non è un singolo evento in cui tutto si ferma contemporaneamente. Invece, esistono diversi strati di dinamica. Lo strato veloce riguarda la rapida diffusione dell'informazione locale, che porta al familiare plateau dell'entropia di entanglement. Lo strato lento riguarda la riorganizzazione di come l'informazione viene memorizzata e condivisa attraverso l'intero sistema. Questi due strati possono operare su orologi completamente diversi. Lo studio dimostra che l'entanglement bipartito, che misura la connessione tra due parti, e le correlazioni multipartite, che misurano la connessione congiunta di tre o più parti, non sono solo fasi diverse dello stesso processo. Sono sonde di distinti canali fisici. Un canale potrebbe essere impegnato a diffondere l'informazione, mentre un altro sta silenziosamente riorganizzandola in un modo che le misurazioni standard non vedono.

Le implicazioni di questo lavoro vanno oltre la semplice comprensione di come i sistemi quantistici si raffreddano. Suggeriscono che esiste un panorama più ricco di dinamiche quantistiche da esplorare. Se un sistema può nascondere un'evoluzione complessa dietro una superficie statica, significa che lo stato di "equilibrio" non è così semplice come precedentemente pensato. I ricercatori hanno dimostrato che guardando al tipo giusto di connessioni multi-particella, si può vedere un orologio che ticchetta all'interno di un sistema che appare fermo. Ciò apre la porta alla comprensione di come l'informazione quantistica viene memorizzata ed elaborata in modi invisibili agli strumenti tradizionali, rivelando una realtà più profonda e intricata sotto la superficie della termalizzazione quantistica.