原创Sonia集智俱乐部
编者按
在量子系统中，相干性会打破单个粒子的遍历性，使之步入一种动态局域化状态。对于包含互相作用的量子多体系统，情况会是如何呢？近期发表于的两项研究通过实验证明，互相作用会破坏量子多体系统的动态局域化，不过量子系统并不是形成精典的混沌行为，而是显示出亚线性的反常扩散，步入“量子混沌”。那些研究结果定量地揭示了多体量子混沌现象，对互相作用系统中的量子信息保护具有启示意义。
研究领域：混沌，量子多体，局域化，汇聚态化学
Sonia|作者
梁金|译者
陈关荣|审校
邓一雪|编辑
近些年来，量子热学在量子估算和量子信息等领域得到广泛应用，但理解和控制这种技术依然饱含挑战性。一个关键障碍是无法理解多个量子粒子怎样互相作用。
1.一种不同类型的混沌
近来，来自加洲学院圣巴巴拉学校（UCSB）、马里兰学院和芝加哥学院的化学学家们解决了一个常年存在的化学学困局：粒子间互相作用怎么影声响态局域化（）？
UCSB实验化学学家DavidWeld的专长是超冷原子化学和量子模拟。他介绍说，“这是从汇聚态化学承继而至的老问题。”这个问题属于“多体”物理的范畴，它探究具有多个部份互相作用的量子系统的数学特点。
尽管多体问题几六年来仍然处在研究和争辩中，但因为这种系统的复杂性，及其量子叠加和纠缠行为，造成它们具有大量的可能性，不可能仅通过估算来解决。
图1.Weld实验室使用的实验装置。|来源：Tony
辛运的是，使用超冷锂原子和激光实验可以有效地解决这个问题。这么，当互相作用被引入无序、混沌的量子系统时，会发生哪些呢？
Weld觉得，会产生一种“奇异的量子态”。这是一种反常的状态，其性质在某种意义上介于精典预测和非互相作用的量子预测之间。这种化学学家的发觉近来发表在《自然·物理》杂志上。
论文题目：
-ofinagas
论文地址：
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2.当互相作用引入量子多体系统
量子的世界从来不缺少奇特的、反直觉的行为。考虑一个正常的单摆，它在遭到周期性的斥力时，会如我们预期的那样运动。Weld解释说：“如果我们每隔一段时间击打单摆，上下摇动它，精典单摆会不断吸收能量，开始四处摆动，并在整个参数空间中混沌地漫游。”
量子系统中的混沌则迥然不同。无序可能使粒子达到某种静止状态，而不是运动。并且，与精典单摆不同，被击打的量子单摆或则说“转子”最初可能会从击打中吸收能量，但在多次击打后，系统会停止吸收能量，动量分布不再变化，这就是所谓的动态局域化状态（state）。这些局域化类似于“肮脏”电子固体的行为，其中无序造成电子停止联通并局域化，致使固体从金属或导体（联通的电子）转变为绝缘体。
其实这些局域化状态在单个、无互相作用粒子的环境下被研究了几六年，当一个无序系统包含多个互相作用电午时会发生哪些呢？从几年前，内华达学院的理论化学学家到UCSB访问Weld后，这样的问题和量子混沌的相关问题就始终回荡在她们的脑海中。
Weld追忆道：“提出的问题是，倘若不是单纯的无互相作用的量子系统，因为干涉而保持稳定，而是有一堆这样的量子定子，它们全部可以碰撞和互相作用，会发生哪些？局域化会持续存在，还是会被互相作用破坏？”
说：“事实上，这是一个十分困难的问题，它涉及到统计热学的基础和遍历性这一基本概念。因为遍历性，大多数互相作用系统最终会热化到一个均匀状态。”
想像把冷鲜奶倒进热奶茶里的情况。随着时间推移，通过互相作用，瓶子里的粒子会自发产生一种均匀的平衡态，既不是单纯的热奶茶，也不是冷豆浆。此前人们仍然预期，这些“热化”（）行为在所有互相作用的系统中就会发生；直至大概16年前，有人觉得量子系统中的无序会造成多体局域化（many-body）。说：“这种现象在去年早些时侯被昂萨格奖*所认可，但很难从理论或实验上严格证明。”
评注：昂萨格奖（LarsPrize）是为记念化学学家Lars而筹建，嘉奖统计数学领域的贡献，2022年授予Boris，DavidA.Huse和IgorL.三位化学学家，认可她们“在多体局域化方面的基础工作，相关的相变，以及对热化和遍历性的影响”。该奖项此前曾授予Leo，杨振宁，DavidJ.,JohnM.,,等人。
图2.图象显示原子的动量分布随激光脉冲冲击次数的变化。（左）在非互相作用的简单情况下，前几次冲击强化非零动量状态，但此后的冲击不会进一步改变这些分布。实际上，动量分布是“冻结”的，表明动态局域化的出现。（右）加入互相作用后，因为粒子间的碰撞和散射，原子开始在动量状态之间漫游，致使随着冲击次数增多，图象显得愈发模糊。这种散射风波影响整体动量分布的方法，帮助我们定量地理解互相作用怎么影声响态局域化。
Weld的团队拥有揭示这些情况所需的技术和专业知识。在她们的实验室里，一种由10万个超冷锂原子组成的二氧化碳漂浮在串扰光中，每位原子代表一个量子定子，可以遭到激光脉冲的冲击。Weld解释说：“我们可以使用一种称作费什巴赫共振（）的工具来保持原子之间好似隐型，或则也可以让它们具有任意硬度的互相作用，彼此碰撞急跌。”只要转动一个旋钮，研究人员就可以让锂原子从整齐的成排街舞弄成激烈的狂舞，并捕捉它们的行为。
正如预期的那样，当原子彼此不可见时，它们吸收激光的能量被冲击到某个点，然后便停止运动，逗留在动态局域化状态，虽然不断遭到激光冲击。但当研究人员启动互相作用时，除了局域化状态减小，并且系统从重复的冲击中吸收能量，模仿精典的混沌行为。但是，Weld强调，即使互相作用的无序量子系统在吸收能量，但它吸收能量的速率比精典系统要慢得多。
他说：“我们听到一种物质吸收能量，但不如精典系统这么高效。并且能量其实是大致随着时间的平方根下降，而不是线性下降。所以互相作用并没有使它成为精典系统；它依然是一种奇特的量子态，表现出反常的非定域性。”
图3.对于三种散射波长，动能随激光脉冲冲击次数的变化。散射波长越长，原子间互相作用越强。可以看见，随着互相作用提高，动态局域化的破坏很显著。在无互相作用时（0a0），能量仍然保持恒定。当互相作用降低到240a0时，在冲击几百次以后，能量出现偏离；在互相作用降低到760a0时，能量持续下降。并且这些能量下降显著高于精典系统的扩散下降（如内嵌图中红色虚线和三角形数据所示），被称为“反常扩散”。
3.量子混沌
Weld的团队使用一种称作“回声”的技术，其中动态演变先是往前之后向后运行，以直接检测互相作用破坏时间可逆性的形式。这些时间可逆性的破坏是量子混沌（chaos）的一个关键特点。
论文合作者、锂研究团队的研究生说：“另一种思索方式是问这样的问题：一段时间后，系统对初始状态还有多少记忆？”在没有杂近视或二氧化碳碰撞等任何扰动的情况下，假如数学系统反向运行，系统应当才能回到初始状态。他说：“在我们的实验中，我们通过逆转冲击激光的相位来逆转时间，‘消除’前一次正常冲击的影响。吸引我们研究这个问题的部份缘由是，对这种类型的互相作用系统，不同理论预测了不同行为，但从来没有人做过实验。”
“混沌的大致概念是，虽然运动规律是时间可逆的，因为一个多粒子系统是这么复杂且对扰动敏感，它几乎不可能回到初始状态，”论文第一作者AlecCao说。问题在于，在实际无序（局域化）状态下，互相作用在一定程度上破坏了局域化，使系统丧失了时间反转的能力。补充说，“你可能会天真地觉得，互相作用会破坏时间反转，但我们发觉了更有趣的事情：一点点互相作用实际上就有帮助！这是这项研究中一个更令人吃惊的结果。”
图4.互相作用诱导的离域化标志着向多体量子混沌的转变。向系统施加5次冲击，之后延后半个周期再施加5次冲击。可以看见，在施加第二组冲击时，动量分布开始“反转”。假如伊宁顿量完全逆转，在10次冲击以后，最终状态和初始状态应当相同，会再度观察到初始的0动量状态。但结果显示难以逆转互相作用能量，即互相作用破坏了时间反转。
Weld和并不是惟一看见这些模糊量子态的人。芝加哥学院的化学学家Gupta和他的团队同时进行了一项补充实验，在一维情况下使用更重的原子得到了类似的结果。Gupta的团队与佛罗里达学院达拉斯学校的理论化学学家Zhang及其团队合作，她们的研究结果一起发表在《自然·物理》杂志上。
论文题目：
Many-bodyinaone-gas
论文地址：
Gupta团队的实验是在一种特别艰辛的化学环境下进行的日本量子通讯，重25倍的原子只能在一维空间运动，但也检测到了周期性撞击形成的弱于线性的能量下降。
这种发觉，如同许多重要的数学结果一样，开启了更多的问题，并为更多的量子混沌实验铺平了公路，致使精典化学和量子化学之间的联系可能被阐明。
评论说：“Weld的实验是第一次尝试在更可控的实验室环境中侦测多体量子局域化的动态版本。虽然它没有明晰地解决基本问题，但数据显示一些奇怪的事情在发生。”
Weld追问道：“在汇聚态系统中多体局域化的大量工作背景下，我们要怎样理解这种结果？怎么描述这些物质状态？我们观察到系统在离域化，但不具有预期的线性时间依赖性；这是如何回事？我们期盼未来的实验能否探求那些和其他问题。”
本文翻译自：
AKindofChaos
参考链接：
集智交流群
量子热学作为现代数学学的两大核心理论之一，成功描述了微观数学体系的演变规律。量子概念的引入深刻地阐明了一系列与宏观体系迥然不同的化学机制日本量子通讯，在近些年来逐步发展出了包含量子通讯、量子估算、量子模拟、量子检测等量子信息科学的全新研究领域和方向。