北京時間5月27日消息（余予）理解量子混沌的理論突破可以為研究量子信息和量子計算、多體物理、黑洞以及仍然難以捉摸的量子到經(jīng)典過渡開辟新途徑。
“通過將平衡的能量增益和損失應(yīng)用于開放的量子系統(tǒng)，我們找到了一種方法來克服先前存在的限制，即假設(shè)與周圍環(huán)境的相互作用會減少量子混沌。”在《物理評論快報》上發(fā)表關(guān)于量子混沌的論文的團(tuán)隊(duì)成員、洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家Avadh Saxena表示，“這一發(fā)現(xiàn)為研究量子模擬和量子信息論指明了新方向。”
通過在開放量子系統(tǒng)中對稱地平衡能量增益和損失，洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家挑戰(zhàn)了一個長期以來的關(guān)于量子混沌和退相干的理論。
量子混沌不同于經(jīng)典物理學(xué)的混沌理論。后者旨在了解對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)是最常見的例子，德克薩斯州一只蝴蝶的翅膀扇動可能會通過一個令人眼花繚亂但并非隨機(jī)的因果鏈，在堪薩斯州引發(fā)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)典動力系統(tǒng)。量子混沌是造成復(fù)雜系統(tǒng)（如黑洞）中信息混亂的原因。它以系統(tǒng)的特征模式和頻率之間的相關(guān)性形式在系統(tǒng)的能譜中顯示出來。
人們相信，當(dāng)一個量子系統(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）而失去相干性或它的“量子性”時，量子混沌的特征就會被抑制。這意味著它們不能被用作量子信息或可以被操縱的狀態(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，量子混沌的動態(tài)特征實(shí)際上是增強(qiáng)了，而不是被抑制了。
“我們的工作挑戰(zhàn)了退相干通常會抑制量子混沌的預(yù)期。”Saxena表示。
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)中的對稱點(diǎn)添加能量增益和損失，研究小組發(fā)現(xiàn)了能譜的真實(shí)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)值研究中普遍存在的能量譜濾波，”del Campo表示，“具體來說，能量去相位中平衡的能量增益和損失會導(dǎo)致最佳的光譜濾波器。因此，人們可以利用平衡的能量增益和損失作為一種實(shí)驗(yàn)工具，不僅可以探索量子混沌，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算，因此，由于增加量子混沌會減少退相干，你可以保持計算更長時間，”Saxena表示。
該團(tuán)隊(duì)的論文建立在Carl Bender（華盛頓大學(xué)圣路易斯分校和洛斯阿拉莫斯前Ulam學(xué)者）和Stefan Boettcher（前洛斯阿拉莫斯大學(xué)，現(xiàn)在埃默里大學(xué)）之前的理論工作基礎(chǔ)之上。他們發(fā)現(xiàn)，與20世紀(jì)初公認(rèn)的范式相反，一些量子系統(tǒng)在某些對稱性下產(chǎn)生了實(shí)能量，即使它們的哈密頓量不是厄米特，這意味著它滿足某些數(shù)學(xué)關(guān)系。通常，此類系統(tǒng)被稱為非厄米哈密頓量。哈密頓量定義了系統(tǒng)的能量。
“普遍的理解是，退相干抑制了厄米系統(tǒng)的量子混沌，具有真實(shí)的能量值，”Saxena表示，“所以我們想，如果我們采用非厄米系統(tǒng)會怎么樣？”
該研究論文研究了在特定點(diǎn)將能量泵入波導(dǎo)的示例——即增益——然后再次將能量泵出——損耗——對稱。波導(dǎo)是一個開放系統(tǒng)，能夠與環(huán)境交換能量。他們發(fā)現(xiàn)，過程和相互作用不會導(dǎo)致退相干，而是增加了相干性和量子混沌。
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