斯坦福研究人員利用玩具啟發(fā)技術(shù)研究量子系統(tǒng)中的行為

懸浮的金屬球體來回晃動，牛頓的搖籃不僅僅是一種流行的桌面玩具。它教會了一代學生關(guān)于動量和能量的保護。這也是斯坦福大學物理學和應(yīng)用物理學副教授Benjamin Lev研究量子系統(tǒng)的實驗的靈感來源 。

列夫和他的 小組 建立了他們自己的量子版牛頓的搖籃，以回答有關(guān)量子粒子的混沌運動如何最終導致熱化過程中的熱平衡的問題?；卮鹑绾卧诹孔酉到y(tǒng)中發(fā)生這種情況有助于開發(fā)量子計算機，傳感器和設(shè)備，Lev將其描述為“量子工程革命”。

“如果我們希望能夠創(chuàng)造出強大而有用的設(shè)備，我們需要了解量子系統(tǒng)如何表現(xiàn)得失去平衡 - 當他們被踢時，就像牛頓的搖籃一樣 - 在我們理解為經(jīng)典的基礎(chǔ)上系統(tǒng)，“列夫說。

通過搖籃，研究人員首次觀察到，在引入少量混沌運動后，量子系統(tǒng)如何達到熱平衡。他們 在 Physical Review X上發(fā)表了他們的 發(fā)現(xiàn)。

這些實驗的結(jié)果不符合先前的預(yù)測，已經(jīng)導致了這個過程如何在量子系統(tǒng)中起作用的理論。

極冷，強磁性

牛奶添加到咖啡中的湍流漩渦是非量子世界中一個熟悉的混沌例子。隨著時間的推移，咖啡混合物變得均勻，因此達到平衡。Lev實驗室想要知道的是，在它們引起混亂之后，這種演變是如何發(fā)生在量子系統(tǒng)中的。通過他們的搖籃實驗，研究人員是第一個觀察這個過程的人。

Lev實驗室的量子牛頓的搖籃與你在同事的小隔間看到的任何東西都不同。研究人員將激光束照射到一個密閉的室內(nèi)，將原子氣體冷卻到幾乎絕對零度 - 這是宇宙中已知最冷的氣體之一 - 然后它們將這些原子加載到一系列激光管中，作為牛頓的搖籃。700個平行支架中的每一個都包含連續(xù)約50個原子。然后，另一個激光器踢動原子，開始搖籃的運動。

與賓夕法尼亞大學的David Weiss開發(fā)的先前量子牛頓搖籃不同，Lev實驗室的搖籃包含強磁性原子，其中弱磁性原子取代了搖籃的金屬球體。

這項工作建立在實驗室之前的成就，即制造高磁性元??素鏑的第一種量子氣體 - 與鋱結(jié)合作為所有元素中最具磁性的。奧巴馬 在2011年為這個里程碑提供了Lev 為科學家和工程師頒發(fā)的 早期職業(yè)獎。研究人員將鏑原子裝入密閉室。

研究人員可以調(diào)整這些原子對鄰居的影響。它們可以使搖籃表現(xiàn)得好像原子不是磁性的，因此它會產(chǎn)生典型牛頓搖籃的周期性運動。或者他們可以通過調(diào)高磁力來產(chǎn)生混亂的運動 - 就像牛頓的搖籃，磁鐵綁在球體上。

到目前為止，物理學家還沒有關(guān)于在微妙混沌量子系統(tǒng)中如何產(chǎn)生熱化的理論。以前的計算模擬研究得出了不同的結(jié)論?，F(xiàn)在，通過他們的實驗，研究人員直接表明，搖籃的振蕩以兩個指數(shù)步驟的順序達到平衡，這是一個意想不到的結(jié)果。

他們還在廣泛的計算機模擬中證實了他們的實驗結(jié)果?；谶@些實驗和模擬，該小組開發(fā)了一種解釋其發(fā)現(xiàn)的理論。

“這意味著我們可以擁有一個非常通用的簡單理論來理解像這樣復雜的量子系統(tǒng)如何復雜化，”列夫說。“這很漂亮，因為它允許你將其翻譯成其他系統(tǒng)。”

原子原子

研究人員已經(jīng)為磁性量子牛頓的搖籃做了幾個實驗計劃，他們預(yù)計隨著量子革命的發(fā)展，有更多機會建立在這項工作之上。

“非常復雜的激光技術(shù)可以逐個原子地操縱系統(tǒng)，”最近畢業(yè)的Lev實驗室博士生，該論文的第一作者Yijun Tang說。“所以，也許我們能做的事情將超越基礎(chǔ)科學問題。也許，在某些時候，我們可以將這些技術(shù)變成更實用的東西。“

在未來的實驗中，研究人員可能會以斑點激光的形式為搖籃的管道添加無序，看看它們是否能夠制造出一種能夠避免熱化的量子玻璃。本文所做的實驗都是用一種叫做玻色子的鏑同位素完成的，因此該小組還計劃用替代版本費米子重復其工作。Lev說，他們不確定費米子的改變是否會對熱化有所影響，他們會歡迎另一個驚喜。