史丹福大學:量子版本的阿基米德螺杆泵

2021-01-17 量子認知

阿基米德螺杆泵（Archimedes screw pump），是一種泵，應用螺旋機制，借著螺旋曲面繞著旋轉軸做旋轉運動，將水從低處傳輸至高處。它也是歷史上第一個將水從低處傳往高處，用於灌溉的機械。

現在，科學家開發出了一種量子版本的阿基米德螺杆泵，該螺杆代替水將脆弱的氣體原子集牽引到越來越高的能態而不會塌陷。他們的發現發表在今天的《科學》雜誌上。

論文前三名作者為在史丹福大學的中國學者，論文主導為史丹福大學物理學家班傑明·列夫（Benjamin Lev）。列夫曾在國內幾所大學擔任客座教授：天津大學（1986年夏季）、北京交通大學（2017–20）、成都大學（2017–20）、南京航空航天大學（2018–20）、南京信息工程大學（2018–），、和南京審計大學（2018 –）。

在研究過程中，研究人員還觀察到了疤痕狀態的發展，這種情況是粒子在極其混亂的量子系統中極為罕見的軌跡，在這種量子系統中，粒子反覆地回溯其步伐，就像在樹林中重疊的軌跡一樣。

在物理學中，特別是在量子混沌中，量子疤痕（quantum scar）是一種量子態，極有可能存在於經典混沌系統中不穩定的經典周期軌道中。該術語還指這種狀態的波函數，其通過沿不穩定的經典周期軌道具有本徵函數的增強（即範數平方增加）來更正式地定義。由於在哥本哈根解釋中量子波函數的平方範數產生概率密度，因此這兩個概念相對應。

量子疤痕是由Eric J. Heller在1984年發現和解釋，並且是量子混沌大領域的一部分。疤痕是出乎意料的，從某種意義上說，在相同能量下靜態經典分布在空間上完全均勻，沿著周期軌道沒有特殊集中，並且能量譜的量子混沌理論沒有暗示它們的存在。疤痕在經典混沌系統的某些本徵態中引人注目，但通過將本徵態投影到某些測試狀態（通常是高斯狀態）上來量化，這些測試狀態沿周期軌道具有平均位置和平均動量。這些測試狀態給出了可證明的結構化頻譜，揭示了疤痕的必要性，特別是對於較短且最不穩定的周期性軌道。

量子疤痕狀態特別令人感興趣，是因為它們可以為量子系統中編碼的信息提供受保護的避難所。直到最近才確認具有多個相互作用粒子的量子系統中存在的稱為量子多體系統的疤痕狀態。該實驗是多體量子氣體中疤痕狀態的第一個例子，也是在現實世界中第二次看到這種現象。

超級穩定

該實驗研究擴展了我們對量子多體系統的不同部分如何沉降到相同溫度或熱平衡的理解。這是一個令人興奮的研究領域，因為抵制這種所謂的「熱化」是創建穩定的量子系統的關鍵，該系統可以為新技術提供動力，例如量子計算機。

在這個實驗中，研究小組探索了如果調整一個非常不尋常的多體實驗系統會發生什麼。這些是高度激發的一維量子氣體，即一種處於氣態的原子，僅局限在一條運動線上，其調諧方式使它們的原子彼此產生極強的吸引力。它們的優點在於，即使在極端力的作用下，它們在理論上也不應坍塌成球形。但是，實際上，由於實驗的不完善，它們的確會坍塌。對強磁性元素有興趣的列夫想知道，如果他的團隊用原子創建超級的唐克斯-吉拉多（Tonks-Girardeau）氣體，並且「如此改變」它們的磁取向，將會發生什麼。也許它們會比非磁性氣體更好地抵抗坍塌？

列夫說，「與氣體中已經存在的有吸引力的相互作用相比，我們能夠添加的磁性相互作用非常弱。因此，我們的期望是不會有太大變化。我們認為它仍然會坍塌，只是不太容易。」 「哇，我們錯了嗎？」

這種變化最終產生了無論如何都保持穩定的超級Tonks-Girardeau氣體。研究人員在吸引和排斥條件之間翻轉了原子氣體，將系統提升或「旋動」到越來越高的能量狀態，但是原子仍然沒有坍塌。

從基礎建設

儘管他們的發現沒有立即的實際應用，但該團隊正在開發必要的科學，以推動許多人預言的量子技術革命。列夫說，目前，不平衡的量子多體系統的物理學始終令人驚訝。

他說：「書架上還沒有教科書可供您介紹如何建立自己的量子工廠。」 「如果將量子科學與我們發現建造化工廠所需知道的東西相比較，那就像是我們現在正在做19世紀晚期的工作。」

這些研究人員才剛剛開始研究關於量子阿基米德螺杆的許多問題，包括如何以數學方式描述這些疤痕狀態以及系統是否確實熱化如何進行。更直接地，他們計劃測量疤痕狀態下原子的動量，以開始發展關於其系統為何如此行為的可靠理論。

這項實驗的結果出乎意料，以至於列夫說，他無法預測對量子阿基米德螺杆的更深入檢查將帶來什麼新知識。但他指出，這也許是最好的實驗。

列夫說：「這是我一生中幾次真正從事實驗的實驗之一，而不是對現有理論的真實證明。我不知道答案是什麼。」 「然後，我們發現了一些真正新的和出乎意料的東西。'」

參考："Topological pumping of a 1D dipolar gas into strongly correlated prethermal states"Science(2021).science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.abb4928

#量子#

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