發現違反熱力學的量子現象：熱量不會從高溫量子，傳到低溫量子！

2020-10-18 博科園

量子世界公然違背我們生活在相對較大宏觀事物中時形成的直覺：比如山川、汽車、塵埃和你肉眼所能見到的萬物。在量子世界中，量子糾纏的粒子可以在任何距離上保持特殊的連接，穿過障礙物，同時沿著多條路逕行進。另一種不太為人所知的量子行為是動態局域化，這是一種現象，即儘管有穩定的能量供應，量子對象仍保持在相同的溫度，這與冷對象總是會從較熱的對象那裡竊取熱量的熱力學定律背道而馳。

即大家所熟知的熱量自發地從高溫物體傳到低溫物體，這個定律是熱力學的基石之一。量子動態局域化無視這一原理的事實，意味著量子世界正在發生一些不尋常的事情：動態局域化可能是量子域結束和經典物理開始的一個極好探針。理解量子系統如何維持或未能維持量子行為，不僅對於我們理解宇宙，而且對於量子技術的實際發展都至關重要，其研究發現發表在《物理評論快報》期刊上。

聯合量子研究所博士後研究員科林·萊蘭茲說：在某種程度上，對世界的量子描述，必須轉變為我們看到的經典描述，人們相信這是通過相互作用來實現的。到目前為止，只觀察到了單個量子物體的動態局域化，這使得它無法幫助確定發生轉換的位置。為了探索這個問題，聯合量子研究所的研究團隊研究了數學模型，看看當許多量子粒子相互作用時，是否仍然會出現動態局域化。為了揭示物理學，必須製作模型來解釋不同的溫度、相互作用強度和時間長度。

與經典粒子完全不同

研究結果表明，即使強相互作用是研究的一部分，動態局域化也可能發生。其結果是一個例子，說明單個量子粒子的行為與經典粒子完全不同，然後即使增加了強相互作用，行為仍然類似於量子粒子，而不是經典粒子。其結果將動力學局域化從單粒子起源擴展到多個相互作用粒子的區域，但是為了可視化效果，從單個粒子開始仍然很有用。通常，單個粒子以旋轉體的形式進行討論，你可以將其想像為遊樂場的旋轉木馬(或任何其他旋轉成圓圈的物體)。

轉子的能量(及其溫度)與其旋轉速度直接相關，而一個有穩定能量供應的轉子（一個被定期「踢」一下的轉子）是一種直觀地顯示量子物理和經典物理中能量流動差異的便捷方式。例如，想像一下大力神不知疲倦地刷著旋轉木馬，他的大多數滑動都會加快速度，但偶爾一次滑動會導致落地不佳，速度變慢。在這些(想像的)條件下，正常的旋轉木馬會越來越快地旋轉，積累越來越多的能量，直到振動最終把整個東西震得粉碎。

從理論上講，這代表了一個正常轉子是如何在不觸及能量極限的情況下永遠升溫。在量子世界中，事情的發展不同，對於量子旋轉木馬來說，每一次滑動都不會簡單地增加或降低速度。取而代之的是，每一次輕掃都會在不同的速度上產生量子疊加，代表著找到以不同速度旋轉的轉子的機會。只有在進行測量之後，才會從前面的「踢」引起量子疊加中出現特定的速度。之前的研究，無論是理論還是實驗上的，都表明一開始量子轉子的行為與普通轉子並沒有太大不同。

違反熱力學的量子現象

因為這一區別，就平均而言，量子旋轉木馬在經歷更多「踢」後也會有更多能量。但是一旦量子轉子被踢得足夠重，它的速度就會趨於平穩。在某一點之後，量子大力神的不懈努力(平均而言)並沒有增加量子旋轉木馬的能量。這種行為在概念上類似於另一種違反熱力學的量子現象，稱為安德森定域化。凝聚態物理學創始人之一菲利普·安德森因發現這一現象而獲得諾貝爾獎。菲利普·安德森和同事解釋了為什麼量子粒子，比如電子，會被困住，儘管有很多明顯的移動機會。

固體中原子排列的不完美，會導致量子粒子可用路徑之間的量子幹涉，從而改變它走每條路徑的可能性。在安德森定域化中，處於任何路徑上的機會幾乎為零，使得粒子被困在原地。動態局域化看起來很像安德森定域化，但不是被困在特定位置，而是粒子的能量被卡住了。作為一個量子物體，轉子的能量和速度被限制在一組量化值之內。這些值形成一個抽象的網格或晶格，類似於原子在固體中的位置，並且可以在能量狀態之間產生類似於物理空間中路徑之間的幹涉。

探索新的量子遊樂場

不同可能的能量概率，而不是粒子的可能路徑，幹涉，能量和速度被卡在單個值附近，儘管有持續的踢。雖然安德森定域化為研究人員提供了一個理解單個被踢量子轉子的視角，但對於許多可以來回拋擲能量的相互作用轉子會發生什麼，它留下了一些模稜兩可的東西。一種普遍的預期是，額外的相互作用將破壞限制能量增加的量子平衡，從而允許正常加熱。研究發現了一個一維系統，在這個系統中，預期可能不會成立。

研究人員選擇了一種相互作用的一維玻色氣體，作為量子遊樂場。在玻色氣體中，沿著一條線來回拉開的粒子，扮演著轉子在適當位置旋轉的角色。氣體原子遵循與被踢轉子相同的基本原理，但在實驗室中使用更實用。在實驗室中，雷射可以用來容納氣體，也可以將氣體中的原子冷卻到較低溫度，這對於確保強大的量子行為必不可少。一旦研究小組選擇了這個玻色量子遊樂場，就探索了許多相互作用氣體原子的數學模型。

在不同的溫度、相互作用強度和踢的次數下探索氣體，需要研究團隊在幾種不同的數學技術之間切換，以獲得完整的圖像。最後的結果結合在一起表明：當一個強相互作用的氣體，在零溫度附近開始時，它可以經歷動態局部化，該團隊將這種現象命名為「多體動力學局部化」。研究的合著者、布魯克海文國家實驗室的物理學家羅伯特·科尼克(Robert Konik)說：這些結果具有重要的意義，從根本上證明了我們對這些系統的不完全理解。

實驗支持

還包含了可能應用的種子，因為不接受能量的系統，應該對量子退相干效應不那麼敏感，因此可能對製造量子計算機有用。當然，理論解釋只是謎團的一半；實驗證實對於了解理論是否站得住腳至關重要。幸運的是，美國一項實驗一直在研究同樣的話題，這啟發了加州大學聖巴巴拉分校物理學副教授大衛·韋爾德利用團隊的實驗專業知識來探索多體動力學，通常情況下，說服實驗者做基於理論的實驗並不容易。

研究團隊使用鋰原子的量子氣體，這種氣體受到雷射的限制，以創建一個類似於加裡茨基團隊開發的理論模型實驗（主要的不同之處在於，在實驗中，原子運動是三維的，而不是只有一維）。在實驗中，研究團隊使用雷射脈衝踢原子數百次，並反覆觀察它們，在實驗的不同階段，將原子的相互作用強度調到不同值。這可以非常完美地進入一個不相互作用的區域，這是很容易計算出其行為的。

然後可以不斷增加相互作用，進入一種更像新研究中的理論現象，確實觀察到了安德森定域化，即使在可以為系統增加的最強相互作用情況下也是如此。初步結果證實了這樣的預測：即即使強相互作用是圖像的一部分，多體動力學局部化也可以發生，這為研究人員試圖確定量子世界和經典世界之間的邊界打開了新機會。研究能夠展示一些人們沒有預料到的東西，而且它在實驗上也是相關的，這是非常棒的！

博科園｜研究/來自：聯合量子研究所

參考期刊《物理評論快報》

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