一種不同類型的混沌

這個(gè)問(wèn)題屬于 “多體”物理學(xué)的范疇，它審視了具有多個(gè)相互作用部分的量子系統(tǒng)的物理特性。雖然多體問(wèn)題幾十年來(lái)一直是一個(gè)研究和辯論的問(wèn)題，但這些系統(tǒng)的復(fù)雜性如疊加和糾纏等量子行為引發(fā)了眾多的可能性，這使它不可能僅僅通過(guò)計(jì)算來(lái)解決?！斑@個(gè)問(wèn)題的許多方面都是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的，”Weld補(bǔ)充道。

(資料圖片)

幸運(yùn)的是，這個(gè)問(wèn)題并沒(méi)有超出使用超冷鋰原子和激光器的實(shí)驗(yàn)的范圍。那么當(dāng)交互作用被引入一個(gè)無(wú)序、混亂的量子系統(tǒng)時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

Weld表示，這是一種“奇怪的量子狀態(tài)，一種反常的狀態(tài)，其屬性在某種意義上介于經(jīng)典預(yù)測(cè)和非相互作用的量子預(yù)測(cè)之間?！?/p>

物理學(xué)家們的發(fā)現(xiàn)最近發(fā)表在《Nature Physics》上。

“一些奇怪的事情正在發(fā)生”

當(dāng)涉及到奇怪的、反直覺(jué)的行為時(shí)，量子領(lǐng)域并沒(méi)有讓人失望。考慮一個(gè)正常的鐘擺，它的行為跟我們預(yù)期的受到能量脈沖的影響完全一樣。

Weld說(shuō)道：“如果你每隔一段時(shí)間就踢它并上下?lián)u晃它，一個(gè)經(jīng)典的鐘擺就會(huì)不斷地吸收能量，開始到處搖擺，并混亂地探索整個(gè)參數(shù)空間。”

混沌在量子系統(tǒng)中出現(xiàn)的方式不同。無(wú)序不是運(yùn)動(dòng)，而是可能使粒子陷入某種停滯狀態(tài)。并且跟經(jīng)典鐘擺不同，一個(gè)被踢的量子鐘擺或“轉(zhuǎn)子”最初可能從踢中吸收能量，但在反復(fù)踢之后，系統(tǒng)停止吸收能量，動(dòng)量分布凍結(jié)，即處于所謂的動(dòng)態(tài)局部狀態(tài)。這種局部化類似于“臟”電子固體的行為，其中無(wú)序的結(jié)果是不動(dòng)的、局部的電子，這導(dǎo)致固體從金屬或?qū)w（移動(dòng)電子）變?yōu)榻^緣體。

雖然這種定位狀態(tài)在單一的、不相互作用的粒子環(huán)境中已經(jīng)研究了幾十年，但當(dāng)一個(gè)無(wú)序的系統(tǒng)包含多個(gè)相互作用的電子時(shí)會(huì)發(fā)生什么？像這樣的問(wèn)題以及量子混沌的相關(guān)方面，在幾年前加利茨基訪問(wèn)圣巴巴拉時(shí)的一次討論中，Weld和他的合著者馬里蘭大學(xué)的理論家Victor Galitski想到了。

“Victor提出的問(wèn)題是，如果你有一群這樣的轉(zhuǎn)子，而且它們都可以相互碰撞和相互作用，而不是這種通過(guò)干涉來(lái)穩(wěn)定的純粹的非相互作用的量子系統(tǒng)會(huì)發(fā)生什么？定位是否持續(xù)存在，還是被相互作用所破壞？”Weld說(shuō)道。

“的確，這是一個(gè)非常困難的問(wèn)題，它跟統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基礎(chǔ)和遍歷性的基本概念有關(guān)，據(jù)此，大多數(shù)相互作用的系統(tǒng)最終會(huì)熱化為一個(gè)普遍的狀態(tài)，”Galitski說(shuō)道。

想象一下，將冷牛奶倒入熱咖啡中。你杯子里的粒子會(huì)隨著時(shí)間的推移通過(guò)它們的相互作用將自己排列成一個(gè)統(tǒng)一的平衡狀態(tài)。這種類型的行為--熱化--是所有相互作用系統(tǒng)的預(yù)期。也就是說(shuō)，直到大約16年前，有人認(rèn)為量子系統(tǒng)中的無(wú)序狀態(tài)被認(rèn)為會(huì)導(dǎo)致多體定位(MBL)。

Galitski說(shuō)道：“這種現(xiàn)象在今年早些時(shí)候得到了Lars Onsager獎(jiǎng)的認(rèn)可，但很難在理論上嚴(yán)格證明或在實(shí)驗(yàn)上確立。”

Weld的小組擁有技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，其可以從字面上闡明這一情況。在他們的實(shí)驗(yàn)室里，有一個(gè)由10萬(wàn)個(gè)超冷的鋰原子組成的氣體懸浮在一個(gè)光的駐波中。每個(gè)原子代表一個(gè)量子轉(zhuǎn)子，其可以被激光脈沖踢開。

Weld說(shuō)道：“我們可以使用一種叫做Feshbach共振的工具來(lái)保持原子之間的隱身狀態(tài)，或我們可以用任意強(qiáng)的相互作用使它們相互反彈”通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)旋鈕，研究人員可以使鋰原子從排舞變成狂舞區(qū)并捕捉到它們的行為。

正如預(yù)期的那樣，當(dāng)原子彼此不可見(jiàn)時(shí)，它們接受了激光的踢打從而達(dá)到一定的程度，之后，盡管反復(fù)踢打，它們?cè)趧?dòng)態(tài)的局部狀態(tài)下停止移動(dòng)。但當(dāng)研究人員調(diào)高互動(dòng)時(shí)，不僅局部狀態(tài)減少了而且該系統(tǒng)似乎從反復(fù)的踢打中吸收了能量，并模仿了經(jīng)典的混沌行為。

不過(guò)Weld指出，雖然相互作用的無(wú)序量子系統(tǒng)正在吸收能量，但它這樣做的速度比經(jīng)典系統(tǒng)要慢得多。

他說(shuō)道：“我們所看到的是一些吸收能量的東西，但不像經(jīng)典系統(tǒng)那樣好。而且看起來(lái)能量大致是隨著時(shí)間的平方根增長(zhǎng)，而不是隨著時(shí)間的線性增長(zhǎng)。因此，相互作用并沒(méi)有使它成為經(jīng)典；它仍是一個(gè)奇怪的量子狀態(tài)，表現(xiàn)出反常的非局域化?！?/p>

測(cè)試混沌

Wled的團(tuán)隊(duì)使用了一種叫做“回聲”的技術(shù)，在這種技術(shù)中，動(dòng)能演化被向前運(yùn)行，然后向后運(yùn)行，并以直接測(cè)量相互作用破壞時(shí)間可逆性的方式。這種對(duì)時(shí)間可逆性的破壞是量子混沌的一個(gè)關(guān)鍵標(biāo)志。

“另一種思考方式則在問(wèn)：系統(tǒng)在一段時(shí)間后對(duì)初始狀態(tài)有多少記憶？”研究論文共同作者Roshan Sajjad說(shuō)道。他表示，在沒(méi)有任何擾動(dòng)的情況下如雜散光或氣體碰撞，如果物理學(xué)向后運(yùn)行該系統(tǒng)應(yīng)該能夠返回到其初始狀態(tài)?！霸谖覀兊膶?shí)驗(yàn)中，我們通過(guò)逆轉(zhuǎn)踢球的相位來(lái)逆轉(zhuǎn)時(shí)間，‘撤銷’第一組正常踢球的影響。我們著迷的部分原因是，不同的理論對(duì)這種類型的互動(dòng)設(shè)置的結(jié)果預(yù)測(cè)了不同的行為，但從來(lái)沒(méi)有人做過(guò)這個(gè)實(shí)驗(yàn)?！?/p>

“混沌的粗略概念是，即使運(yùn)動(dòng)規(guī)律是時(shí)間可逆的，一個(gè)多粒子系統(tǒng)可能是如此復(fù)雜，對(duì)擾動(dòng)如此敏感，實(shí)際上不可能返回到其初始狀態(tài)，”主要作者Alec Cao說(shuō)道。他解釋稱，轉(zhuǎn)折點(diǎn)是在一個(gè)有效的無(wú)序（局部）狀態(tài)下，相互作用在某種程度上打破了局部化，甚至系統(tǒng)失去了時(shí)間可逆的能力。

“直截了當(dāng)?shù)刂v，你會(huì)認(rèn)為相互作用會(huì)破壞時(shí)間逆轉(zhuǎn)，但我們看到了更有趣的東西。一點(diǎn)點(diǎn)的互動(dòng)實(shí)際上是有幫助的！這是這項(xiàng)工作中更令人驚訝的結(jié)果之一，”Sajjad補(bǔ)充道。

Weld和Galiski并不是唯一見(jiàn)證這種模糊的量子狀態(tài)的人。華盛頓大學(xué)物理學(xué)家Subhadeep Gupta和他的團(tuán)隊(duì)同時(shí)進(jìn)行了一個(gè)補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)，在一維背景下使用較重的原子產(chǎn)生了類似的結(jié)果。這一結(jié)果跟加州大學(xué)圣巴巴拉分校和馬里蘭大學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一起發(fā)表在《Nature Physics》上。

“UW的實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)非常困難的物理體系中進(jìn)行的，25倍重的原子被限制只能在一個(gè)維度上移動(dòng)，但也從周期性的磕碰中測(cè)量到了比線性更弱的能量增長(zhǎng)，并揭示了一個(gè)理論結(jié)果一直沖突的領(lǐng)域，”Gupta說(shuō)道。

這些發(fā)現(xiàn)，就像許多重要的物理學(xué)結(jié)果一樣，開啟了更多的問(wèn)題并為更多的量子混沌實(shí)驗(yàn)鋪平了道路，在那里，人們夢(mèng)寐以求的經(jīng)典和量子物理學(xué)之間的聯(lián)系可能會(huì)被發(fā)現(xiàn)。