Instabilità di Turing nell'attivatore quantistico

Oct 15, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15573 (2022) Citare questo articolo

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L’instabilità di Turing è un meccanismo fondamentale di auto-organizzazione di non equilibrio. Tuttavia, nonostante l’universalità del suo meccanismo essenziale, l’instabilità di Turing è stata finora studiata principalmente nei sistemi classici. In questo studio, mostriamo che l'instabilità di Turing può verificarsi in un sistema quantistico dissipativo e ne analizziamo le caratteristiche quantistiche come l'entanglement e l'effetto della misurazione. Proponiamo un oscillatore parametrico degenere con smorzamento non lineare in ottica quantistica come unità di attivazione-inibizione quantistica e dimostriamo che un sistema di due di tali unità può subire instabilità di Turing quando accoppiato diffusivamente tra loro. L'instabilità di Turing induce disuniformità ed entanglement tra le due unità e dà origine a una coppia di stati non uniformi che si mescolano a causa del rumore quantistico. Ulteriori misurazioni continue sul sistema accoppiato rivelano la non uniformità causata dall'instabilità di Turing. I nostri risultati estendono l’universalità del meccanismo di Turing al regno quantistico e possono fornire una nuova prospettiva sulla possibilità dell’auto-organizzazione del non equilibrio quantistico e sulla sua applicazione nelle tecnologie quantistiche.

La natura mostra una varietà di ordini che si auto-organizzano attraverso la rottura spontanea della simmetria causata da interazioni interne all'interno dei sistemi, come la magnetizzazione spontanea, la crescita dei cristalli e la superconduttività1,2,3. In particolare, i sistemi aperti di non equilibrio possono supportare un’ampia varietà di modelli auto-organizzati che non possono verificarsi nei sistemi di equilibrio, chiamati strutture dissipative. Esempi di strutture dissipative includono schemi di convezione dei fluidi, oscillazioni laser, onde e schemi chimici e schemi e ritmi biologici4,5,6. L'auto-organizzazione e la formazione di pattern sono state studiate anche in sistemi quantistici come i condensati atomici di Bose-Einstein e gli ioni intrappolati7,8, i sistemi optomeccanici9 e i punti quantici10. La sincronizzazione quantistica11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22, che recentemente ha guadagnato un crescente interesse, è anche un esempio di auto-organizzazione del non equilibrio quantistico.

Nel 1952, Turing dimostrò che la differenza tra le diffusività delle specie chimiche reagenti può destabilizzare stati stazionari uniformi e causare l'emergenza spontanea di modelli periodici non uniformi in sistemi spazialmente estesi23. Nel 1972, Gierer e Meinhardt fornirono una spiegazione intuitiva dell’instabilità di Turing introducendo il concetto ormai ben noto di sistemi attivatore-inibitore con autopotenziamento locale e inibizione a lungo raggio24. Successivamente, l'instabilità di Turing e i modelli risultanti sono stati studiati in vari sistemi, come quelli sottoposti a reazioni chimiche25,26,27 o morfogenesi biologica28,29,30, popolazioni ecologiche31,32,33 e sistemi ottici non lineari34,35,36,37, 38,39,40. I modelli di Turing sono stati studiati teoricamente anche nei sistemi stocastici41,42,43,44 e nei sistemi in rete45,46,47,48,49. La prima realizzazione sperimentale dei modelli di Turing fu ottenuta nel 199050, 40 anni dopo l'articolo fondamentale di Turing, seguita dalla prima determinazione sperimentale del diagramma di biforcazione51, utilizzando la reazione clorito-ioduro-acido malonico in un reattore gel. I recenti progressi e le moderne discussioni sull'instabilità di Turing sono stati esaminati, ad esempio, in Ref.52 e includono vari nuovi aspetti dei modelli di Turing tra cui l'instabilità nei sistemi multi-specie53,54, le influenze della crescita del dominio55,56,57,58 e gli effetti di ritardo e rumore59.

I recenti sviluppi nel campo delle nanotecnologie hanno stimolato indagini sia teoriche che sperimentali sull'instabilità di tipo Turing e sui modelli in sistemi su scala micro e nanometrica, come le onde anomale in una cavità con molecole di punti quantici60, il mezzo vettoriale di Kerr61, la generazione della seconda armonica intracavità62, i microrisonatori longitudinali63, Kerr -microrisonatori attivi64, microcavità semiconduttrici65 e un monostrato di bismuto66. Pertanto, l’analisi sistematica della possibilità dell’instabilità di Turing nei sistemi quantistici sta diventando importante. In questa direzione di ricerca, studi pionieristici su sistemi ottici non lineari, ad esempio, oscillatori parametrici ottici38,39,40, hanno considerato la possibilità di formazione di pattern tramite instabilità di tipo Turing34 e hanno discusso gli effetti delle fluttuazioni quantistiche35 e dello squeezing quantistico36. Tuttavia, a causa della difficoltà nel gestire una gerarchia infinita di equazioni per i prodotti degli operatori, l'analisi è stata limitata al caso che può essere trattato tramite l'equazione differenziale stocastica approssimata di campi classici soggetti a fluttuazioni quantistiche37.