這個(gè)物理玩具的一個(gè)小版本揭示了量子秘密

加利福尼亞州圣巴巴拉 -一個(gè)簡(jiǎn)單的玩具正在幫助科學(xué)家了解神秘量子過(guò)程的新細(xì)節(jié)。

牛頓搖籃中金屬球的節(jié)奏性咔嗒響聲長(zhǎng)期以來(lái)一直讓物理學(xué)生們感到高興?，F(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)在原子尺度上重新創(chuàng)造了玩具，利用它來(lái)探究量子系統(tǒng)如何達(dá)到稱為熱平衡的平衡狀態(tài)。

在柜臺(tái)上放一大杯熱咖啡，它會(huì)逐漸冷卻，直到達(dá)到熱平衡，與房間的溫度相匹配。這個(gè)過(guò)程稱為熱化，在咖啡杯的規(guī)模上得到了很好的理解。但在量子水平上，熱化變得模糊不清。

斯坦福大學(xué)物理學(xué)家Benjamin Lev說(shuō)：“這是我們從根本上無(wú)法理解的物理學(xué)領(lǐng)域。”他于6月26日在加州大學(xué)圣巴巴拉分校Kavli理論物理研究所量子熱力學(xué)會(huì)議上介紹了這項(xiàng)工作。。Lev說(shuō)，缺乏對(duì)這種基本過(guò)程的理解意味著“我們科學(xué)家應(yīng)該進(jìn)行調(diào)查”。因此，他和同事研究了如何將混沌引入量子牛頓的搖籃，為熱化鋪平了道路。

牛頓的搖籃由懸掛的金屬球懸掛在一排。向后拉一個(gè)球并讓它回落到另一個(gè)球上，另一端的球彈出然后向后擺動(dòng)并重復(fù)這個(gè)過(guò)程。這種有規(guī)律的重復(fù)運(yùn)動(dòng)一直持續(xù)到摩擦減慢了球的擺動(dòng)。

量子版本用一排冷卻的激光捕獲原子取代了這些球體。Lev及其同事創(chuàng)造了一個(gè)由大約700個(gè)這樣的量子牛頓搖籃組成的陣列，每個(gè)搖籃由大約50個(gè)元素鏑原子組成，并用激光踢它們。

對(duì)于量子牛頓搖籃的熱化，所有原子必須隨機(jī)移動(dòng) - 類似于一杯咖啡中的搖晃分子 - 而不是常規(guī)的來(lái)回模式。為了實(shí)現(xiàn)這種隨機(jī)性，Lev及其同事利用了鏑原子具有磁性的事實(shí)。除了相互碰撞之外，原子還在磁力上相互擠壓。這種額外的相互作用引入了擾亂原子運(yùn)動(dòng)的混亂(SN Online：9/16/13)。

通過(guò)改變?cè)哟艠O的方向，Lev及其同事調(diào)整了磁相互作用的強(qiáng)度，并研究了系統(tǒng)如何接近平衡。Lev及其同事在5月2日發(fā)表在Physical Review X上的一篇論文中報(bào)告說(shuō)，起初，原子迅速向熱平衡方向發(fā)展，然后轉(zhuǎn)向更慢的進(jìn)展。

結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)超小型設(shè)備(SN：3/19/16，第18頁(yè))和量子計(jì)算機(jī)非常重要，這些設(shè)備可以使用量子力學(xué)進(jìn)行有效的計(jì)算(SN：7/8/17，第28頁(yè))。奧地利技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家JörgSchmiedmayer表示：“如果你想擁有一臺(tái)量子計(jì)算機(jī)，它將遠(yuǎn)離平衡。”他沒(méi)有參與這項(xiàng)研究。這是因?yàn)?，在平衡狀態(tài)下，由于粒子屬性的擾亂，信息會(huì)丟失。

因此，理解量子系統(tǒng)如何達(dá)到平衡是一個(gè)快速發(fā)展的研究課題。“在20年內(nèi)......我們對(duì)量子系統(tǒng)的熱力學(xué)有了完全不同的理解，”Schmiedmayer說(shuō)。

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