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(lái)回晃動(dòng)，牛頓的搖籃不僅僅是一種流行的桌面玩具。它教會(huì)了一代學(xué)生關(guān)于動(dòng)量和能量的保護(hù)。這也是斯坦福大學(xué)物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)副教授Benjamin Lev研究量子系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)的靈感來(lái)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(yùn)動(dòng)如何最終導(dǎo)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(jì)算機(jī)，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(qiáng)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(dāng)他們被踢時(shí)，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(yùn)動(dòng)后，量子系統(tǒng)如何達(dá)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果不符合先前的預(yù)測(cè)，已經(jīng)導(dǎo)致了這個(gè)過程如何在量子系統(tǒng)中起作用的理論。

極冷，強(qiáng)磁性

牛奶添加到咖啡中的湍流漩渦是非量子世界中一個(gè)熟悉的混沌例子。隨著時(shí)間的推移，咖啡混合物變得均勻，因此達(dá)到平衡。Lev實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，研究人員是第一個(gè)觀察這個(gè)過程的人。

Lev實(shí)驗(yàn)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(gè)密閉的室內(nèi)，將原子氣體冷卻到幾乎絕對(duì)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(gè)平行支架中的每一個(gè)都包含連續(xù)約50個(gè)原子。然后，另一個(gè)激光器踢動(dòng)原子，開始搖籃的運(yùn)動(dòng)。

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

這項(xiàng)工作建立在實(shí)驗(yàn)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(gè)里程碑提供了Lev 為科學(xué)家和工程師頒發(fā)的 早期職業(yè)獎(jiǎng)。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(duì)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(huì)產(chǎn)生典型牛頓搖籃的周期性運(yùn)動(dòng)。或者他們可以通過調(diào)高磁力來(lái)產(chǎn)生混亂的運(yùn)動(dòng) - 就像牛頓的搖籃，磁鐵綁在球體上。

到目前為止，物理學(xué)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(jì)算模擬研究得出了不同的結(jié)論。現(xiàn)在，通過他們的實(shí)驗(yàn)，研究人員直接表明，搖籃的振蕩以兩個(gè)指數(shù)步驟的順序達(dá)到平衡，這是一個(gè)意想不到的結(jié)果。

他們還在廣泛的計(jì)算機(jī)模擬中證實(shí)了他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；谶@些實(shí)驗(yàn)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(gè)非常通用的簡(jiǎn)單理論來(lái)理解像這樣復(fù)雜的量子系統(tǒng)如何復(fù)雜化，”列夫說。“這很漂亮，因?yàn)樗试S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(gè)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，他們預(yù)計(jì)隨著量子革命的發(fā)展，有更多機(jī)會(huì)建立在這項(xiàng)工作之上。

“非常復(fù)雜的激光技術(shù)可以逐個(gè)原子地操縱系統(tǒng)，”最近畢業(yè)的Lev實(shí)驗(yàn)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(xué)問題。也許，在某些時(shí)候，我們可以將這些技術(shù)變成更實(shí)用的東西。“

在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中，研究人員可能會(huì)以斑點(diǎn)激光的形式為搖籃的管道添加無(wú)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(shí)驗(yàn)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(jì)劃用替代版本費(fèi)米子重復(fù)其工作。Lev說，他們不確定費(fèi)米子的改變是否會(huì)對(duì)熱化有所影響，他們會(huì)歡迎另一個(gè)驚喜。