秩序与混乱的科学怪人：研究人员发现混合量子系统

JQI的研究人员发现了一个量子系统，该系统是有序和混沌的混合体。

通常，“混乱”一词会引起秩序混乱：忙碌的一天，少年的卧室，税收季节。而且对混乱的物理理解距离不远。这是很难预测的，例如天气。混沌使一个小小的斑点（蝴蝶翅膀的拍打）发展成为一个大的后果（一场台风席卷全球），这解释了为什么未来几天以上的天气预报可能不可靠。不断反弹的单个空气分子也很混乱，几乎不可能确定在任何给定时刻任何单个分子的位置。

现在，您可能想知道为什么有人会关心单个空气分子的精确位置。但是您可能会关心一整堆分子共享的属性，例如它们的温度。也许是直觉上的，分子的混乱本质使它们充满了一个房间并达到一个单一的温度。偶然的混乱最终导致了集体秩序。

能够使用单个数字（温度）来描述以疯狂，不可预测的方式反弹的一堆粒子非常方便，但这并非总是如此。因此，JQI的一组理论物理学家着手了解该说明何时适用。

马里兰大学（UMD）物理学教授JQI研究员维克托·加利茨基（Victor Galitski）说：“这里的雄心勃勃的目标是了解大多数物理系统达到热平衡的混乱和普遍趋势是如何产生的。” ）。

作为朝着这个宏伟目标迈出的第一步，加利茨基和两位同事着手理解当许多粒子（每个粒子本身都是混乱的）聚集在一起时会发生什么。例如，在空中曲棍球比赛中，一个冰球的动作连续不断地从墙壁弹跳，这是混乱的。但是，当许多冰球放到桌子上时会发生什么呢？而且，如果冰球服从量子物理学的规则，将会发生什么？

在最近发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的一篇论文中，研究小组研究了量子领域中的空中曲棍球问题。他们发现问题的量子形式（圆盘实际上是像原子或电子这样的量子粒子）既不是有序的也不是混沌的，而是根据测量混沌的一种常见方式来实现的。他们的理论足够笼统地描述一系列物理环境，包括容器中的分子，一场量子空中曲棍球比赛以及在无序金属（例如笔记本电脑中的铜线）中弹跳的电子。

JQI博士后和论文的第一作者廖云祥说：“我们一直认为这是一个很久以前就已经在一些教科书中解决的问题。”“事实证明，这是一个比我们想象的更棘手的问题，但结果也比我们想象的更有趣。”

这个问题长期未解决的原因之一是，一旦量子力学进入了画面，通常的混沌定义就不适用了。传统上，蝶形效果-初始条件下的微小变化会导致线下的急剧变化-通常被用作定义。但是在量子力学中，初始位置或最终位置的概念并没有多大意义。不确定性原理指出，无法同时精确知道量子粒子的位置和速度。因此，粒子的轨迹定义不清，因此无法追踪不同的初始条件如何导致不同的结果。

研究量子混沌的一种策略是采取一些经典的混沌方法，例如在冰球桌上弹跳的冰球，然后对其进行机械处理。当然，古典的混乱应该转变过来。确实如此。但是，当您放入一个以上的量子圆盘时，事情就变得不那么清楚了。

传统上，如果冰球可以互相反弹，交换能量，它们最终将全部达到一个温度，从而暴露了潜在混乱的总体顺序。但是，如果冰球不撞到彼此，而是像鬼一样穿过彼此，它们的能量将永远不会改变：热的将保持热，冷的将保持冷，并且它们将永远不会达到相同的温度。由于冰球不相互作用，所以集体秩序就不会从混乱中浮现出来。

该团队将这场鬼空气曲棍球游戏带入了期望具有相同行为的量子力学领域，即对一个量子粒子而言是混乱的，但在存在许多量子粒子时却没有集体的秩序。为了检验这种预感，他们选择了最古老，使用最广泛（尽管不是最直观）的量子混沌测试之一。

量子粒子不仅具有能量，还可以对能级进行“量化”，这基本上意味着它们仅限于特定的值。早在1970年代，物理学家发现，如果量子粒子以可预测的方式运行，则它们的能级彼此完全独立-平均而言，可能的值不会趋于聚集或扩散。但是，如果量子粒子是混沌的，那么能级似乎会互相避开，以独特的方式扩散。现在，这种能级排斥经常被用作量子混沌的定义之一。

由于他们的冰球没有互动，廖和她的合作者并不期望他们在温度上达成共识，这意味着他们看不到潜在的单冰球混乱迹象。他们认为，能量水平根本不会彼此关心。

他们不仅找到了理论上证明某种程度的斥力是量子混沌的标志，而且还发现其中一些能级趋向于聚集在一起而不是相互排斥，这是一种他们无法完全解释的新现象。这个看似简单的问题原来既不是有序的，也不是混乱的，而是两者之间从未有过的奇怪组合。

团队能够使用创新的数学方法发现这种混合动力。廖说：“在以前的数值研究中，研究人员只能包含20或30个粒子。”“但是使用随机矩阵理论的数学方法，我们可以包含500个左右。而且这种方法还使我们能够计算非常大型系统的分析行为。”

有了这个数学框架，并引起了人们的浓厚兴趣，研究人员现在正在扩展他们的计算，以逐渐允许冰球互相作用。“我们的初步结果表明，热化可能是通过自发破坏可逆性而发生的-从数学上来说，过去变得与将来不同，” Galitski说。“我们看到小的干扰会成倍放大并破坏所有剩余的秩序特征。但这是另一个故事。”

参考：廖云祥，阿米特·维克拉姆和维克多·加利茨基的“单粒子量子混沌的多体能级统计”，2020年12月18日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.125.250601

除了Liao和Galitski之外，UMD的JQI物理学研究生Amit Vikram还是该论文的作者。