深入理解量子混沌可能是實現量子計算機的關鍵

量子系統可以存在於許多可能的狀態中，這裡用自旋群來說明，每個自旋指向一個特定的方向。當系統均勻地探索所有允許的配置時，發生熱化。相反，當一個「量子疤痕」形成時（如圖所示），一些構型顯得特別。這種特性允許疤痕系統維持初始狀態的記憶，而無關熱化現象。來源：利茲大學

這項新的研究為觀察最近的實驗提供了視角，能夠通過量子模擬器操縱前所未有數量的原子。這一新理論可以為創建難以捉摸的量子計算機提供另一個思路。

由利茲大學領導的國際研究團隊和奧地利日內瓦大學科學技術研究所合作，為哈佛大學和麻省理工學院的最新實驗中被捕獲和操作的單個原子的特定行為提供了理論解釋。這個實驗使用了一個精細調諧的激光系統來充當「光鑷子」來組裝一個非常長的具有51個原子的鏈結構。

當測量原子鏈的量子動力學時，有令人驚訝的振蕩，其持續時間比預期的要長得多，這是無法解釋的。

來自利茲大學研究人員理論物理講師Zlatko Papic博士說：「之前的哈佛麻省理工學院實驗創造了很神奇的振蕩，使原子在量子狀態下保持了一段較長的時間。我們發現這些振蕩是相當令人費解的，因為他們暗示原子在某種程度上能夠「記住」它們的初始構型，同時仍在混沌地移動。」

「我們的目標是更一般地理解這樣的振蕩可能來自哪裡，因為振蕩意味著混沌環境中的某種一致性，這正是我們想要的是穩健的量子計算機。我們的研究表明，這些振蕩是由於一種新的物理現象，我們稱之為「量子多體瘢痕」。

在日常生活中，粒子會相互反彈，直到它們充滿整個空間，最終進入平衡狀態。這個過程叫做熱化。量子疤痕是當一種特殊的構型或路徑在粒子的狀態下留下印記，從而阻止它們填充整個空間。這防止了系統達到熱化，並允許它們維持一些量子效應。

Papic博士說：「我們正在學習量子動力學可以比簡單的熱處理複雜得多，複雜得多。實際的好處是，如果量子計算機成為現實，振蕩的延長周期正是所需要的。在這些計算機上處理和存儲的信息將取決於在任何時候將原子保持在一個以上的狀態，這是一個持續的現象，以保持粒子不平衡。

研究者，利茲大學物理和天文學學院的Christopher Turner博士說：「以前關於量子痕的理論已經為單個粒子制定。我們的工作已經將這些想法擴展到包含一個但不是很多粒子的系統，它們都以複雜的方式糾纏在一起。量子多體瘢痕可能是實現相干量子動力學的新途徑。」

量子多體瘢痕理論揭示了在哈佛麻省理工實驗中原子的奇異動力學的量子狀態。理解這一現象也可以為保護或延長量子態在其他類量子多體系統中的壽命鋪平道路。

來源：https://phys.org/news/2018-05-deeper-quantum-chaos-key.html

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