研究人员发现量子混沌的相干性

北京时间5月27日消息（余予）理解量子混沌的理论突破可以为研究量子信息和量子计算、多体物理、黑洞以及仍然难以捉摸的量子到经典过渡开辟新途径。

“通过将平衡的能量增益和损失应用于开放的量子系统，我们找到了一种方法来克服先前存在的限制，即假设与周围环境的相互作用会减少量子混沌。”在《物理评论快报》上发表关于量子混沌的论文的团队成员、洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家Avadh Saxena表示，“这一发现为研究量子模拟和量子信息论指明了新方向。”

通过在开放量子系统中对称地平衡能量增益和损失，洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家挑战了一个长期以来的关于量子混沌和退相干的理论。

量子混沌不同于经典物理学的混沌理论。后者旨在了解对初始条件高度敏感的确定性或非随机模式和系统。所谓的蝴蝶效应是最常见的例子，德克萨斯州一只蝴蝶的翅膀扇动可能会通过一个令人眼花缭乱但并非随机的因果链，在堪萨斯州引发龙卷风。

另一方面，量子混沌用量子理论来描述混沌的经典动力系统。量子混沌是造成复杂系统（如黑洞）中信息混乱的原因。它以系统的特征模式和频率之间的相关性形式在系统的能谱中显示出来。

人们相信，当一个量子系统通过耦合到系统外的环境（所谓的量子到经典过渡）而失去相干性或它的“量子性”时，量子混沌的特征就会被抑制。这意味着它们不能被用作量子信息或可以被操纵的状态。

事实证明这并不完全正确。Saxena、卢森堡大学的物理学家Aurelia Chenu和Adolfo del Campo以及合作者发现，在某些情况下，量子混沌的动态特征实际上是增强了，而不是被抑制了。

“我们的工作挑战了退相干通常会抑制量子混沌的预期。”Saxena表示。

量子系统光谱中的能量值以前被认为是复数——即具有虚数分量的数字——因此在实验环境中没有用处。但是通过在系统中的对称点添加能量增益和损失，研究小组发现了能谱的真实值，前提是增益或损失的强度低于临界值。

“平衡的能量增益和损失提供了一种物理机制，可以在实验室中实现在复杂多体量子系统的理论和数值研究中普遍存在的能量谱滤波，”del Campo表示，“具体来说，能量去相位中平衡的能量增益和损失会导致最佳的光谱滤波器。因此，人们可以利用平衡的能量增益和损失作为一种实验工具，不仅可以探索量子混沌，还可以研究一般的多体量子系统。”

Saxena和del Campo解释说，通过改变退相干，滤波器可以更好地控制系统中的能量分布。例如，这在量子信息中很有用。

“退相干限制了量子计算，因此，由于增加量子混沌会减少退相干，你可以保持计算更长时间，”Saxena表示。

该团队的论文建立在Carl Bender（华盛顿大学圣路易斯分校和洛斯阿拉莫斯前Ulam学者）和Stefan Boettcher（前洛斯阿拉莫斯大学，现在埃默里大学）之前的理论工作基础之上。他们发现，与20世纪初公认的范式相反，一些量子系统在某些对称性下产生了实能量，即使它们的哈密顿量不是厄米特，这意味着它满足某些数学关系。通常，此类系统被称为非厄米哈密顿量。哈密​​顿量定义了系统的能量。

“普遍的理解是，退相干抑制了厄米系统的量子混沌，具有真实的能量值，”Saxena表示，“所以我们想，如果我们采用非厄米系统会怎么样？”

该研究论文研究了在特定点将能量泵入波导的示例——即增益——然后再次将能量泵出——损耗——对称。波导是一个开放系统，能够与环境交换能量。他们发现，过程和相互作用不会导致退相干，而是增加了相干性和量子混沌。

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