深入了解量子混沌可能是量子計算機的關鍵

最近的一項實驗使人們能夠通過量子模擬器操縱空前數量的原子。這一新理論可以為創造難以捉摸的量子計算機提供另一種途徑。領導的一個國際研究團隊，利茲大學與研究所的科技合作奧地利和瑞士日內瓦大學,提供了一個理論解釋為單個原子的特定行為，被困在最近的一次實驗和操縱由哈佛大學和麻省理工學院。該實驗採用了一種精細調諧激光器的系統，作為「光學鑷子」來組裝一個非常長的51個原子鏈。當測量原子鏈的量子動力學時，出現了令人驚訝的振蕩，這種振蕩持續的時間比預期的長得多，這是無法解釋的。

量子系統可以存在於許多可能的狀態中，這裡由旋轉的組來說明，每一組都指向一個特定的方向。圖片：Zlatko Papic, University of Leeds

研究報告的作者之一、利茲大學理論物理學講師Zlatko Papic博士說：之前的哈佛-麻省理工學院的實驗創造了驚人的強勁振蕩，使原子在量子狀態下保持了一段時間。我們發現這些振蕩相當令人費解，因為他們認為原子在某種程度上能夠「記住」它們的初始形態，同時仍在混亂地移動。我們目標是更廣泛地理解這種振蕩的來源，因為振蕩意味著混沌環境中的某種一致性——而這正是我們想要從一個強大的量子計算機中得到的。研究表明，這些振蕩是由於一種新的物理現象，我們稱之為「量子多體傷疤」。

在日常生活中，粒子會相互碰撞，直到它們探索整個空間，最終形成一種平衡狀態。這個過程被稱為熱化。當一個特殊的結構或路徑在粒子的狀態上留下印記，使它們無法填滿整個空間時，就會產生量子疤痕。這就阻止了系統達到熱化，並允許它們維持一些量子效應。Papic博士說：我們正在學習，量子力學比簡單的熱化更複雜、更複雜。實際的好處是，如果量子計算機要成為現實，那麼延長的振蕩周期正是我們所需要的。在這些計算機上處理和存儲的信息將依賴於在任何時候將原子保持在一個以上的狀態，這是一場持續的戰鬥，以防止粒子進入平衡狀態。

研究報告的主要作者、利茲大學物理和天文學院的博士研究員克里斯托弗·特納說：以前關於量子疤痕的理論都是為單個粒子而設計，我們的工作將這些思想延伸到包含許多粒子的系統中，這些粒子都以複雜的方式相互糾纏在一起。量子力學的傷疤可能代表了一種實現相干量子力學的新途徑。在哈佛-麻省理工學院的實驗中，量子力學傷疤理論揭示了支撐原子奇異動力學的量子態。理解這一現象也可以為保護或延長量子態在其他量子多體系統的生命周期鋪平道路。

博科園-科學科普｜參考期刊：Nature Physics｜來自：利茲大學

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