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      在量子混沌中尋找相干性

      在量子混沌中尋找相干性

      理解量子混沌理論突破可以為研究量子信息和量子計(jì)算,多體物理學(xué),黑洞以及仍然難以捉摸的量子到經(jīng)典過渡開辟新的道路。

      “通過將平衡的能量增益損失應(yīng)用于開放量子系統(tǒng),我們找到了一種方法來克服以前存在的局限性,即假設(shè)與周圍環(huán)境的相互作用會(huì)減少量子混沌,”洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家Avadh Saxena說,他是在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表關(guān)于量子混沌的論文的團(tuán)隊(duì)的成員。.“這一發(fā)現(xiàn)為研究量子模擬和量子信息理論指明了新的方向。

      量子混沌不同于經(jīng)典物理混沌理論。后者試圖理解對(duì)初始條件高度敏感的確定性(或非隨機(jī))模式和系統(tǒng)。所謂的蝴蝶效應(yīng)是最熟悉的例子,德克薩斯州蝴蝶翅膀的襟翼可以通過一個(gè)令人困惑的復(fù)雜但不是隨機(jī)的因果鏈,導(dǎo)致堪薩斯州的龍卷風(fēng)。

      另一方面,量子混沌用量子理論來描述混沌的經(jīng)典動(dòng)力系統(tǒng)。量子混沌是黑洞等復(fù)雜系統(tǒng)中發(fā)生的信息混亂的原因。它以其特征模式和頻率之間的相關(guān)性的形式在系統(tǒng)的能譜中揭示自己。

      人們認(rèn)為,當(dāng)量子系統(tǒng)通過耦合到系統(tǒng)外的環(huán)境(所謂的量子到經(jīng)典過渡)而失去相干性或其“量子性”時(shí),量子混沌的特征就會(huì)被抑制。這意味著它們不能被利用為量子信息或可以縱的狀態(tài)。

      事實(shí)證明,這并不完全正確。Saxena,盧森堡大學(xué)的物理學(xué)家Aurelia Chenu和Adolfo del Campo以及合作者發(fā)現(xiàn),在某些情況下,量子混沌的動(dòng)力學(xué)特征實(shí)際上得到了增強(qiáng),而不是被抑制。

      “我們的工作挑戰(zhàn)了退相干通常抑制量子混沌的期望,”Saxena說。

      量子系統(tǒng)光譜中的能量值以前被認(rèn)為是復(fù)數(shù) – 即具有虛數(shù)分量的數(shù)字 – 因此在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中沒有用處。但是,通過在系統(tǒng)中的對(duì)稱點(diǎn)添加能量增益和損失,研究小組發(fā)現(xiàn)了能量譜的實(shí)際值,前提是增益或損失的強(qiáng)度低于臨界值。

      “平衡的能量增益和損失提供了一種物理機(jī)制,可以在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜多體量子系統(tǒng)的理論和數(shù)值研究中無處不在的能量光譜濾波,”del Campo說?!熬唧w來說,能量去相中平衡的能量增益和損失導(dǎo)致了最佳的光譜濾光片。因此,人們可以利用平衡的能量增益和損失作為實(shí)驗(yàn)工具,不僅可以探測(cè)量子混沌,還可以研究一般的多體量子系統(tǒng)。

      Saxena和del Campo解釋說,通過改變退相干,濾波器可以更好地控制系統(tǒng)中的能量分布。例如,這在量子信息中很有用。

      “退相干限制了量子計(jì)算,因此,由于增加量子混沌會(huì)降低退相干,因此您可以將計(jì)算時(shí)間延長(zhǎng),”Saxena說。

      該團(tuán)隊(duì)的論文建立在Carl Bender(圣路易斯華盛頓大學(xué)和洛斯阿拉莫斯前烏拉姆學(xué)者)和Stefan Boettcher(以前在洛斯阿拉莫斯,現(xiàn)在在埃默里大學(xué))之前的理論工作的基礎(chǔ)上。他們發(fā)現(xiàn),與二十世紀(jì)初公認(rèn)的范式相反,一些量子系統(tǒng)在某些對(duì)稱性下產(chǎn)生真正的能量,即使它們的哈密頓量不是埃爾米特的,這意味著它滿足某些數(shù)學(xué)關(guān)系。一般來說,這樣的系統(tǒng)被稱為非埃爾米特哈密頓量。哈密頓量定義了系統(tǒng)的能量。

      “普遍的理解是,退相干抑制了埃爾米特系統(tǒng)的量子混沌,具有真正的能量值,”Saxena說?!八晕覀兿?,如果我們采用一個(gè)非埃爾米特系統(tǒng)呢?”

      該研究論文研究了在特定點(diǎn)(即增益)將能量泵入波導(dǎo)中,然后再次對(duì)稱地將能量泵出(損耗)的例子。波浪導(dǎo)是一個(gè)開放的系統(tǒng),能夠與環(huán)境交換能量。他們發(fā)現(xiàn),這個(gè)過程和相互作用不會(huì)引起退相干,而是增加了相干性和量子混沌。

      更多信息:Julien Cornelius等人,由非埃爾米特進(jìn)化引起的光譜濾波與平衡的增益和損失:增強(qiáng)量子混沌,物理評(píng)論快報(bào)(2022)。DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.190402

      期刊信息:物理評(píng)論快報(bào)

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