Неустойчивость Тьюринга в квантовом активаторе

Oct 15, 2023

Том 12 научных докладов, номер статьи: 15573 (2022 г.) Цитировать эту статью

1307 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

Неустойчивость Тьюринга — фундаментальный механизм неравновесной самоорганизации. Однако, несмотря на универсальность основного механизма, неустойчивость Тьюринга до сих пор исследовалась преимущественно в классических системах. В этом исследовании мы показываем, что неустойчивость Тьюринга может возникать в квантовой диссипативной системе, и анализируем ее квантовые особенности, такие как запутанность и эффект измерения. Мы предлагаем вырожденный параметрический осциллятор с нелинейным затуханием в квантовой оптике в качестве квантового блока активатор-ингибитор и показываем, что система из двух таких блоков может испытывать тьюринговскую неустойчивость при диффузионном взаимодействии друг с другом. Неустойчивость Тьюринга вызывает неоднородность и запутанность между двумя единицами и приводит к возникновению пары неоднородных состояний, которые смешиваются из-за квантового шума. Дальнейшее проведение непрерывных измерений связанной системы выявило неравномерность, вызванную неустойчивостью Тьюринга. Наши результаты расширяют универсальность механизма Тьюринга на квантовую область и могут открыть новый взгляд на возможность квантовой неравновесной самоорганизации и ее применения в квантовых технологиях.

В природе существует множество порядков, которые самоорганизуются посредством спонтанного нарушения симметрии, вызванного внутренними взаимодействиями внутри систем, такими как спонтанная намагниченность, рост кристаллов и сверхпроводимость1,2,3. В частности, неравновесные открытые системы могут поддерживать широкий спектр самоорганизующихся моделей, которые не могут возникнуть в равновесных системах, называемых диссипативными структурами. Примеры диссипативных структур включают модели конвекции жидкости, лазерные колебания, химические волны и закономерности, а также биологические закономерности и ритмы4,5,6. Самоорганизация и формирование структур также изучались в квантовых системах, таких как атомные конденсаты Бозе-Эйнштейна и захваченные ионы7,8, оптомеханические системы9 и квантовые точки10. Квантовая синхронизация11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22, вызывающая в последнее время все больший интерес, также является примером квантовой неравновесной самоорганизации.

В 1952 году Тьюринг показал, что разница в коэффициентах диффузии реагирующих химических веществ может дестабилизировать однородные стационарные состояния и вызывать спонтанное возникновение неоднородных периодических структур в пространственно протяженных системах23. В 1972 году Гирер и Мейнхардт дали интуитивное объяснение нестабильности Тьюринга, представив теперь хорошо известную концепцию систем активатор-ингибитор с локальным самоусилением и дальним торможением24. Позже нестабильность Тьюринга и возникающие закономерности были изучены в различных системах, например, в тех, которые претерпевают химические реакции25,26,27 или биологический морфогенез28,29,30, в экологических популяциях31,32,33 и в нелинейных оптических системах34,35,36,37. 38,39,40. Паттерны Тьюринга также теоретически исследовались в стохастических системах41,42,43,44 и сетевых системах45,46,47,48,49. Первая экспериментальная реализация моделей Тьюринга была достигнута в 1990 году50, через 40 лет после выхода основополагающей статьи Тьюринга, за которой последовало первое экспериментальное определение бифуркационной диаграммы51 с использованием реакции хлорит-йодид-малоновая кислота в гель-реакторе. Недавний прогресс и современные дискуссии о нестабильности Тьюринга были рассмотрены, например, в [52] и включают различные новые аспекты моделей Тьюринга, включая нестабильность в многовидовых системах53,54, влияние роста доменов55,56,57,58 и эффекты задержка и шум59.

Последние разработки в области нанотехнологий стимулировали как теоретические, так и экспериментальные исследования неустойчивости и закономерностей тьюринговского типа в микро- и наноразмерных системах, таких как волны-убийцы в полости с молекулами квантовых точек60, векторная среда Керра61, внутрирезонаторная генерация второй гармоники62, продольные микрорезонаторы63, Керр -активные микрорезонаторы64, полупроводниковые микрорезонаторы65 и монослой висмута66. Поэтому систематический анализ возможности тьюринговой неустойчивости в квантовых системах становится важным. В этом направлении исследований новаторские исследования нелинейных оптических систем, например, оптических параметрических генераторов38,39,40, рассмотрели возможность формирования паттернов посредством нестабильности типа Тьюринга34 и обсудили эффекты квантовых флуктуаций35 и квантового сжатия36. Однако из-за сложности обработки бесконечной иерархии уравнений для операторных произведений анализ был ограничен случаем, который можно рассматривать с помощью приближенного стохастического дифференциального уравнения классических полей, подверженных квантовым флуктуациям37.