Svarta hål hör till universums mest extrema objekt och deras fysik är fortfarande fylld av olösta mysterier. Samtidigt har teoretiska modeller som beskriver kvantkaos och informationsspridning i svarta hål blivit några av de viktigaste verktygen för att förstå samspelet mellan kvantmekanik och gravitation.
Nu har fysiker utvecklat en oväntat enkel metod för att återskapa en av dessa modeller i laboratoriet. Genom att skaka ultrakalla atomer fångade i ett optiskt gitter har forskarna visat att det går att simulera kvantkaos som tidigare främst varit kopplat till teorier om svarta hål och exotiska kvantmaterial. Upptäckten kan ge forskare ett kraftfullt nytt verktyg för att studera fenomen som annars är omöjliga att observera direkt.
En modell som länge varit svår att återskapa
Den forskning som nu presenteras bygger på den så kallade Sachdev–Ye–Kitaev-modellen (SYK) – en teoretisk modell där ett stort antal partiklar växelverkar på ett slumpmässigt sätt.
Modellen har blivit central inom modern teoretisk fysik eftersom den beskriver egenskaper som liknar dem hos svarta hål, bland annat hur kvantinformation snabbt blandas och sprids. Samtidigt anses modellen vara en möjlig brygga mellan kvantmekanik och gravitation.
Trots sitt stora teoretiska värde har SYK-modellen varit mycket svår att förverkliga experimentellt eftersom den kräver komplicerade och slumpmässiga växelverkningar mellan många partiklar.
Skakade atomer gjorde det möjligt
Forskarna använde ultrakalla atomer som placerades i ett optiskt gitter – ett regelbundet mönster som skapas med hjälp av laserljus.
Genom att skaka gittret på ett noggrant kontrollerat sätt lyckades de skapa de effektiva växelverkningar som krävs för att efterlikna SYK-modellen. Lösningen är betydligt enklare än tidigare föreslagna metoder och kan därför göra experimentell forskning inom området mer tillgänglig.
Tekniken bygger på redan etablerad utrustning som används i många laboratorier världen över, vilket ökar möjligheten att andra forskargrupper snabbt kan bygga vidare på resultaten.
Ger nya möjligheter att studera kvantkaos
Kvantkaos handlar om hur information sprids och blandas i kvantsystem med många partiklar.
Till skillnad från klassiskt kaos, där små förändringar kan ge helt olika utvecklingar över tid, beskriver kvantkaos hur kvantinformation snabbt ”scramblas” mellan ett systems olika delar. Just denna snabba informationsspridning tros vara en av de mest karakteristiska egenskaperna hos svarta hål.
Genom att kunna återskapa dessa processer i laboratoriet får forskare möjlighet att testa teorier som tidigare endast kunnat studeras matematiskt.
Kan ge ledtrådar om svarta håls mysterier
En av de stora frågorna inom modern fysik är vad som egentligen händer med information som faller in i ett svart hål.
Forskning kring kvantkaos och SYK-modellen används för att undersöka hur information kan bevaras trots att svarta hål verkar ”sudda ut” detaljer om det som faller in. Därför betraktas modellen som ett viktigt verktyg i arbetet med att förstå den så kallade informationsparadoxen.
Det nya experimentet innebär inte att forskarna har skapat ett svart hål, men det ger en möjlighet att undersöka liknande matematiska processer under kontrollerade laboratorieförhållanden.
Även relevant för framtidens kvantteknik
Resultaten kan få betydelse långt utanför den teoretiska fysiken.
Kunskap om hur kvantinformation sprids i komplexa system är viktig för utvecklingen av framtidens kvantdatorer och kvantkommunikation. Genom att förstå hur kvantsystem utvecklas och hur information bevaras eller blandas kan forskare konstruera mer stabila och effektiva kvanttekniska lösningar.
Den nya metoden kan därför bli ett värdefullt verktyg både inom grundforskning och framtida teknikutveckling.
Ett laboratorium för universums mest extrema fysik
Under de senaste åren har fysiker allt oftare använt laboratorieexperiment för att efterlikna fenomen som annars bara existerar i universums mest extrema miljöer. Med hjälp av ultrakalla atomer går det nu att undersöka teorier som tidigare varit begränsade till avancerade matematiska modeller.
Den nya studien visar att något så till synes enkelt som att skaka ett gitter av laserljus kan ge forskare tillgång till samma typ av kvantkaotiska processer som används för att beskriva svarta hål. Om metoden visar sig fungera lika väl i framtida experiment kan den bli ett viktigt steg mot en djupare förståelse av både kvantmekanik, gravitation och universums mest fundamentala lagar.
Publikationsuppgifter
Charles Creffield m.fl., Sachdev-Ye-Kitaev-fysik utifrån Hubbard-modellen: En Floquet-teknisk metod, Physical Review Letters (2026). DOI: 10.1103/r8zs-qvj3
