在量子混沌中寻找相干性

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跃迁开辟新的途径。

洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的理论物理学家、在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表量子混沌论文的团队成员Avadh Saxena说:“通过将平衡的能量增益和损失应用到一个开放的量子系统中，我们找到了一种方法，来克服之前存在的一个限制，即假设与周围环境的相互作用会减少量子混沌。”“这一发现为研究量子模拟和量子信息论指明了新方向。”

量子混沌不同于经典物理混沌理论。后者试图理解确定性(或非随机)模式和系统，对初始条件高度敏感。所谓的蝴蝶效应是最常见的例子，在德克萨斯州，一只蝴蝶扇动翅膀，通过一个令人困惑的复杂而非随机的因果链，在堪萨斯州引发了一场龙卷风。

另一方面，量子混沌用量子理论描述了混沌经典动力系统。量子混沌是诸如黑洞这样的复杂系统中信息混乱的罪魁祸首。它以其特征模态和频率之间的相关性的形式，在系统的能谱中显示自己。

人们相信，当一个量子系统与系统外的环境耦合(所谓的量子到经典跃迁)，就会失去相干性或“量子性”，量子混沌的特征就会被抑制。这意味着它们不能被利用为量子信息或一种可以**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及其合作者发现，在某些情况下，量子混沌的动力学特征实际上是增强的，而不是抑制的。

Saxena说:“我们的工作挑战了退相干通常会抑制量子混沌的预期。”

量子系统光谱中的能量值以前被认为是复数——即带有虚数成分的数——因此在实验设置中没有用。但是通过在系统的对称点增加能量增益和损失，研究小组发现了能量谱的真实值，前提是增益或损失的强度低于一个临界值。

del Campo说:“平衡的能量增益和损耗提供了一种物理机制，可以在实验室中实现在复杂的多体量子系统的理论和数值研究中普遍存在的那种能量光谱滤波。”“具体地说，平衡能量增益和能量失相导致最佳光谱滤波器。因此，我们可以利用平衡能量增益和损失作为实验工具，不仅可以探索量子混沌，而且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。

Saxena说:“退相干限制了量子计算，因此，由于增加量子混沌减少了退相干，你可以保持更长的计算时间。”

该团队的论文建立在卡尔·本德(圣路易斯华盛顿大学的，前洛斯阿拉莫斯乌兰姆学者)和斯特凡·伯特彻(前洛斯阿拉莫斯大学的，现在埃默里大学)之前的理论工作的基础上。他们发现，与20世纪早期的公认范式相反，一些量子系统在特定的对称性下产生了实数能量，尽管它们的哈密顿量不是厄米量，这意味着它满足特定的数学关系。一般来说，这样的系统被称为非厄米哈密顿系统。哈密顿量定义了系统的能量。

Saxena说:“普遍的理解是，退相干抑制厄米系统的量子混沌，具有真实的能量值。”“所以我们想，如果我们取一个非厄米系统会怎么样?”

该研究论文研究了在某一特定点向波导注入能量的例子——这是增益，然后再将能量抽出——是对称的损失。波导是一个开放系统，能够与环境交换能量。他们发现，这个过程和相互作用并没有导致退相干，而是增加了相干性和量子混沌。

物理特性提高了量子模拟的效率

引用:在量子混沌中发现相干(2022,5月26日)检索到2022年5月26日从https://phys.org/news/2022-05-coherence-quantum-chaos.html

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