量子混沌可能是量子计算机的关键

时间：2021-07-26 13:52:10 来源：

量子系统的插图。量子系统可以以许多可能的状态存在，此处以自旋组为例说明，每个自旋都沿某个方向指向。当系统均匀浏览所有允许的配置时，就会发生热化。相反，当形成“量子疤痕”（如p中所示）时，某些配置会显得很特殊。此功能使疤痕累累的系统即使发生热化也能维持初始状态的记忆。

新的研究为最近的实验提供了洞察力，该实验能够通过量子模拟器操纵前所未有的原子数。这一新理论可以为创建难以捉摸的量子计算机提供新的途径。

由利兹大学领导并与奥地利科学技术研究所和日内瓦大学合作的国际研究人员团队为最近实验中被俘获和操纵的单个原子的特殊行为提供了理论解释由哈佛大学和麻省理工学院。该实验使用微调激光器系统充当“光镊”，以组装一个由51个原子组成的非常长的链。

测量原子链的量子动力学时，会出现令人惊讶的振荡，这种振荡的持续时间比预期的要长得多，并且无法解释。

研究合著者，利兹理论物理学讲师Zlatko Papic博士说：“先前的哈佛大学-麻省理工学院实验产生了令人惊讶的鲁棒振荡，使原子长时间处于量子状态。我们发现这些振荡非常令人费解，因为它们表明原子能够以某种方式“记住”其初始构型，同时仍然保持混沌运动。

“我们的目标是更笼统地理解这种振荡可能来自何处，因为这种振荡表示混沌环境中的某种相干性，而这正是我们想要的一台强大的量子计算机所想要的。我们的工作表明，这些振荡是由于一种新的物理现象引起的，我们称之为“量子多体疤痕”。

在日常生活中，粒子会互相弹起，直到它们探索整个空间，最终进入平衡状态。该过程称为热化。量子疤痕是指特殊的构造或路径在粒子的状态上留下痕迹，使它们无法填充整个空间。这样可以防止系统达到热化状态，并使它们保持一定的量子效应。

帕皮克博士说：“我们正在学习，量子动力学比简单的热化要复杂得多。实际的好处是，要使量子计算机成为现实，就需要长时间的振荡。这些计算机上处理和存储的信息将取决于随时保持原子处于一种以上的状态，要保持粒子稳定进入平衡是一场持续的战斗。”

利兹大学物理与天文学学院博士研究员克里斯托弗·特纳（Christopher Turner）是研究的主要作者，他说：“涉及量子疤痕的先前理论是针对单个粒子制定的。我们的工作将这些思想扩展到了一个不包含一个粒子但包含许多粒子的系统，这些粒子都以复杂的方式相互缠绕。量子多体疤痕可能代表实现相干量子动力学的新途径。”

量子多体伤痕理论为哈佛-麻省理工学院实验中支持原子奇异动力学的量子态提供了启示。理解这种现象还可以为保护或延长其他类型的量子多体系统中的量子态的寿命铺平道路。

出版物：C.J.Turner等人，``从量子多体疤痕中摆脱的弱遍历性''，《自然物理学》（2018年）doi：10.1038 / s41567-018-0137-5

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