日本科学家的一项新研究探索了玻色-爱因斯坦凝聚态(BEC)等相互作用的玻色子系统中量子信息的传播，揭示了与之前认为的不同的加速传输的潜力。

科学家研究相互作用的玻色子系统中的信息传播

量子多体系统，就像相互作用的玻色子系统一样，非常重要，因为它们在物理学的各个分支中都有应用。量子多体系统中的信息传播受李布-罗宾逊界的控制。这量化了信息或变化在量子系统中传播的速度。

当您对系统的一个部分进行更改时，利布-罗宾逊界限描述了这一更改影响系统其他部分的速度。实际上，这意味着您最初的更改的影响将从其原点向外传播，影响系统的邻近区域。

然而，利布-罗宾逊相互作用玻色子系统长期以来一直是一个挑战。

由RIKENHakubi团队负责人、RIKEN量子计算中心TomotakaKuwahara博士领导的研究人员在他们的新《自然通讯》研究中解决了这一挑战。

Kuwahara博士向Phys.org解释了他们工作的重要性，强调了理解包含玻色子和费米子等基本粒子的量子系统的重要性。

“原则上，玻色子系统没有能量限制，这使得玻色子系统中的利布-罗宾逊束缚具有很大的挑战性，”他说。

利布-罗宾逊界

如前所述，李布-罗宾逊界限对相关性或影响力在量子系统的空间分离区域之间传播的速度提供了定量限制。

这意味着传播不可能立即遍及各处，而是仅限于有效的光锥。受爱因斯坦相对论的启发，光锥代表了事件发出的光信号可以到达的空间和时间上的所有点。这就形成了一个双锥体：一个代表过去，一个代表未来。

这同样适用于量子多体系统(即具有两个以上量子粒子的系统)中的信息传播。

“利布-罗宾逊界限为信息在这些系统中传输的速度设定了通用的速度限制，”桑原博士解释说。

根据李布-罗宾逊界限，信息的传播是有限的，并且随着距离或时间呈指数衰减。衰变的具体情况取决于单个系统以及系统内可能发生的相互作用。

Lieb-Robinson界由ElliottLieb和DerekRobinson于1972年提出，仅适用于非相对论系统，也就是说信息以远低于光速的速度传播。

Bose-Hubbard模型

相互作用的玻色子系统由许多玻色子(如光子)组成。这些系统虽然常见，但提出了许多挑战，例如玻色子和无限能量之间的长程相互作用，使得开发模拟和理论模型变得困难。

但是，自从BEC发现以来，诸如Bose-Hubbard模型之类的模型已经被开发出来来研究玻色子系统。玻色-哈伯德模型是一个理论框架，用于理解玻色子在局限于晶格结构(如晶体中的原子)时如何表现。

该模型考虑了两个主要因素。第一个是玻色子从一个晶格位置到另一个晶格位置的跳跃，由跳跃参数表示。第二个是位点相互作用参数，代表玻色子占据同一位点时它们之间的排斥力。随着更多玻色子占据同一位置，这种相互作用能量会增加。

这些因素包含了玻色子之间的相互作用，这就是为什么研究人员选择Bose-Hubbard模型来研究相互作用的玻色子系统中的Lieb-Robinson界限。

上限

研究人员选择研究由Bose-Hubbard模型控制的D维晶格(相互作用玻色子系统)的Lieb-Robinson束缚。他们发现了该系统的三个结果。

结果1

这一结果解决了晶格内玻色子的相互作用。研究人员发现，即使在具有长程相互作用的系统中，玻色子传输的速度也是有限的。这个速度虽然有限，但随着时间的增长，最多是对数增长，相对较慢。

这一发现为玻色子系统的动力学提供了重要的见解，为其速度设定了上限。

结果2

该结果重点关注系统算子随时间的传播。算子基本上是系统的变量，就像动量一样。随着这些算子的传播，它们偏离理想的演化，导致误差的累积。

这种错误传播决定了信息在系统中传播的速度。例如，如果误差很大，则表明信息传播较慢或受到更多限制，因为近似值明显偏离系统的理想演化。

同样，如果误差很小，那么信息传播就很快。这与Lieb-Robinson界一致，表明误差传播存在上限。

尽管存在错误传播的上限，但玻色子之间的相互作用会引起特定区域的聚类。这些区域以较高的玻色子浓度为特征，有利于沿着某些晶格路径或方向加速信息传播。

这种现象与利布-罗宾逊界限一致。然而，这种加速度是有界的，并且根据系统的维数具有多项式增长。

结果3

这一结果提供了一种使用基本量子门(如CNOT)模拟这些系统的方法。研究人员提供了有效模拟相互作用玻色子系统的时间演化所需的基本量子门数量的上限。

与费米子系统的比较

费米子系统显示出信息传播速度的有限速度限制。在这项工作之前，科学家们对玻色子系统做出了同样的假设，但这是不正确的。

“光锥的传播速度要快得多，而且是非线性的，即随着时间的推移而加速。具体来说，如果你观察的是三维空间，‘信息’传播的距离会随着时间的平方而增长。因此，从这个意义上说，玻色子发送信息的速度比费米子快得多，尤其是随着时间的推移，”桑原博士解释道。

这取决于可以同时占据相同状态的玻色子的数量。本质上，加入的玻色子越多，信息传播的速度就越快。

“但是，由于玻色子只能以有限的速度移动，所以很多玻色子聚集在一起需要一些时间，导致信息传播的速度有限。随着时间的推移，随着越来越多的玻色子合作，它们的速度会变得越来越慢。”可以发送信息上升，”桑原博士说。

这项工作为探索信息传播的相互作用玻色子系统打开了一个新窗口。

“我预计该算法将用于模拟凝聚态物理，这可能会导致新量子相的发现。它在模拟量子热化方面也应该被证明是有用的，有助于解决封闭量子系统如何融入一个基本问题。随着时间的推移达到稳定状态，”桑原博士总结道。