El ruido como director del caos: caos cuántico en un sistema abierto ✛ ✎

Original: "Experimental Detection of Dissipative Quantum Chaos"
arXiv:2506.04325v1 · 2025-06-04 · arXiv non-exclusive · análisis propio · 2 min
Por primera vez se miden las firmas espectrales del caos en un sistema cuántico abierto en un procesador superconductor.

Cinco cúbits superconductores en un chip: el escenario donde se representa la obra del caos cuántico. Cuatro cúbits forman el sistema; el quinto, el entorno que introduce disipación. Tras una breve evolución, el entorno se descarta y el sistema queda con un mapa cuántico abierto: un operador que transforma el estado del sistema. Antes, este escenario era solo una fantasía teórica: las predicciones sobre el caos cuántico disipativo esperaron más de cuarenta años su verificación experimental.

La herramienta clave es la distribución de las relaciones complejas de distancias entre autovalores del mapa cuántico. Para un circuito caótico adopta la forma de una "rosquilla mordida": la densidad se suprime cerca del centro y del eje real positivo, lo que indica repulsión de niveles. Para un circuito integrable, un pico agudo en cero, sin correlaciones. Esta diferencia es la huella del caos en el espectro de un sistema abierto.

El ruido interno del procesador, normalmente considerado enemigo de la precisión, aquí actuó como fuente de caos: cuanto más profundo es el circuito, más el ruido destruye la integrabilidad y conduce a la estadística caótica.

Al aumentar la profundidad del circuito integrable de 5 a 50 capas, la distribución pasa suavemente de un pico a una "rosquilla". Los valores medios ⟨r⟩ y ⟨−cos θ⟩ se desplazan de los valores de la estadística de fermiones libres hacia la matriz aleatoria de clase AI. El ruido no es un obstáculo, sino un director que guía al sistema del orden al caos.

Este trabajo hace que el caos cuántico disipativo sea observable experimentalmente por primera vez. El método puede aplicarse para la caracterización de procesadores cuánticos y para estudiar el efecto del ruido en algoritmos cuánticos. Esto abre el camino al uso de procesadores cuánticos como bancos de pruebas para fenómenos de muchos cuerpos abiertos, desde la localización disipativa hasta transiciones de fase en sistemas abiertos. El ruido, que antes ahogaba la música cuántica, ahora marca el ritmo del caos.

El ruido interno del procesador, normalmente considerado enemigo de la precisión, aquí actuó como fuente de caos: cuanto más profundo es el circuito, más el ruido destruye la integrabilidad y conduce a la estadística caótica.

\langle r \rangle = \left\langle \frac{|\lambda_2 - \lambda_1|}{|\lambda_3 - \lambda_1|} \right\rangle
Relación media de distancias entre autovalores vecinos del mapa cuántico: para sistemas integrables tiende al valor de fermiones libres; para caóticos, al de la matriz aleatoria de clase AI.
\langle -\cos \theta \rangle = \left\langle -\frac{\mathrm{Re}(\lambda_2 - \lambda_1)}{|\lambda_2 - \lambda_1|} \right\rangle
Coseno medio del ángulo entre autovalores vecinos: sensible a la repulsión de niveles en el plano complejo.
Científicos
David DeutschErwin SchrödingerJohn Stewart BellLouis de BroglieLov GroverPaul Benioff
Conceptos
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