研究团队研究混沌量子系统中波动流体动力学的出现

路德维希马克西米利安大学、马克斯普朗克量子光学研究所、慕尼黑量子科学与技术中心 (MCQST) 和马萨诸塞大学的研究人员最近进行了一项研究，研究大型量子系统中的平衡波动。他们的论文发表在《自然物理学》上，概述了使用量子气体显微镜进行的大规模量子模拟的结果，量子气体显微镜是一种用于对超冷原子气体中的单个原子进行成像和操纵的实验工具。

“想象一下，你在一个盒子里有大量粒子，你想预测系统未来会如何发展，”论文合著者朱利安·维南德告诉 Phys.org。“你知道这些粒子的物理特性以及它们如何相互作用。所以，原则上，你可以建立一个模拟，输出每个粒子的运动。然而，在实践中，由于需要跟踪的粒子太多，模拟可能会因计算资源不足而失败。幸运的是，有一种方法可以向前迈进：流体动力学。”

流体动力学理论为量子物理学家提供了模拟大型系统中粒子间相互作用的另一种方法。事实上，如果一个系统是混沌的，研究人员可以假设粒子将以确保局部热平衡状态的方式相互作用。

“这使我们能够得出一个宏观描述，并将粒子描述为遵循简单微分方程的连续密度场，”维南德说。“一般来说，这样的密度场可能会波动，因为微观上它是由快速移动的粒子组成的。由于这些波动是随机的，我们可以将它们视为白噪声，将它们积分到我们的微分方程中，我们就可以得到波动流体动力学 (FHD)。

FHD 是经典流体动力学理论的扩展，它也能预测系统中热波动的影响。通过考虑小规模波动，这一扩展的理论框架使物理学家能够有效地描述和计算复杂系统。

总体而言，FHD 理论表明，复杂系统的整个演化取决于几个量，例如所谓的扩散常数。虽然该理论已用于研究各种经典系统，但尚不清楚它是否也适用于混沌量子系统。

“量子系统与经典系统有着根本的不同，因为组成它们的粒子可以表现出纠缠等量子现象，这违背了日常直觉，”维南德说。“它们也更难计算，因此能够使用 FHD 描述它们可以帮助我们更好地理解此类系统并对其进行预测。”

Wienand 和他的同事使用133 Cs(铯)量子气体显微镜进行了各种量子模拟。本质上，该团队将超冷 Cs 原子困在光学晶格中(即由激光创建的晶格)。这产生了一个由相互作用的量子粒子组成的系统，也称为量子多体系统。

“借助显微镜，我们可以以单点分辨率拍摄该系统的快照，这意味着我们可以检测出哪些晶格点被原子占据，哪些是空的，”维南德解释说。“这对于计算系统某些区域中的粒子数量以及测量可观测数据的统计数据(包括原子数波动)至关重要。”

研究人员将铯原子置于特定位置，形成规则图案，从而使系统处于激发态。然后，他们突然减小晶格深度，使原子开始四处移动并相互作用。

“因此，量子多体系统经历了扩散过程并热化，”维南德说。“在热化过程中，我们跟踪波动随时间的演变并观察它们的增长。将这些波动(和其他可观测量)的增长速度与理论进行比较，我们可以得出结论，该系统可以用 FHD 很好地描述，并进一步测量扩散常数。”

该研究团队最近的研究首次证明 FHD 理论可用于定性和定量描述混沌量子系统。目前，这一成果是在一个简单的实验环境中实现的，最终可应用于各种混沌量子系统的研究。

“在我们的案例中，这意味着整个微观量子物理学可以用一个简单的经典扩散 FHD 模型来宏观近似，并且系统的整个宏观动力学可以用一个量来描述：扩散常数，”维南德说。“这为我们提供了研究混沌量子系统并至少在宏观尺度上预测其看似复杂的行为的新工具。”

研究人员的发现表明，经典系统中已确立的范式也适用于量子系统。该观点认为，即使系统的微观物理复杂而混乱，其宏观行为实际上可能非常简单。

“关于扩散常数的另一个令人惊讶的事实是，它是系统的平衡性质，”维南德说。“然而，当我们测量时，量子多体系统是不平衡的。FHD 建立了平衡和非平衡设置之间的关系。我们的结果利用了这种关系，并将其作为一种获得扩散常数的新方法。”

维南德和他的同事目前正在使用他们的 Cs 量子气体显微镜进行进一步的量子模拟。这些新研究可以进一步了解量子多体动力学背后的机制。

“下一步研究的未决问题将包括：在没有热化的系统中，波动会如何表现?波动之外的更高动量(如偏度和峰度)又如何表现?此外，FHD 能否适应并正确描述更复杂的可观测量和/或更奇特的系统?”Wienand 补充道。

“我们的研究结果首次表明了 FHD 在描述量子系统方面的巨大潜力，但还需要进行更多的实验才能评估 FHD 在量子领域的范围和局限性。”