贝利·贝德福德，联合量子研究所 加州大学圣塔芭芭拉分校制造和操纵量子气体的设备
它被用来研究相互作用原子的动力学局域化，这与JQI研究人员的新工作有关
(荣誉:托尼·马斯特斯，UCSB) 量子世界公然挑战我们生活在相对较大的事物中时产生的直觉，比如汽车、硬币和尘埃
在量子世界中，微小的粒子可以在任何距离上保持特殊的联系，穿过障碍，同时沿着多条路径行进
一种不太为人所知的量子行为是动态局域化，这是一种现象，在这种现象中，尽管有稳定的能量供应，但量子对象仍保持在相同的温度下——与冷对象总是从热对象那里窃取热量的假设相反
这个假设是热力学的基石之一——研究热量是如何流动的
动态局域化违背了这一原理，这一事实意味着量子世界中正在发生一些不寻常的事情——而动态局域化可能是对量子领域终结和传统物理开始的一个极好的探索
理解量子系统如何维持或不能维持量子行为，不仅对我们理解宇宙至关重要，而且对量子技术的实际发展也至关重要
“在某种程度上，对世界的量子描述必须转换到我们所看到的经典描述，人们相信这是通过相互作用发生的，”JQI博士后研究员科林·赖兰兹说
到目前为止，动态局域化只在单个量子物体中被观察到，这使得它无法对确定转换发生在哪里的尝试做出贡献
为了探索这个问题，瑞兰德与JQI研究员维克多·加利茨基和其他同事一起研究了数学模型，以了解当许多量子粒子相互作用时，动力学局域化是否仍然会出现
为了揭示物理学，他们必须制作模型来解释各种温度、相互作用强度和时间长度
该团队发表在《物理评论快报》上的研究结果表明，即使强相互作用是其中的一部分，动态定位也可能发生
“这个结果是一个例子，说明单个量子粒子的行为与经典粒子完全不同，即使增加了强相互作用，这种行为仍然类似于量子粒子，而不是经典粒子，”文章的第一作者Rylands说
量子旋转木马 这一结果将动力学局域化扩展到了单粒子起源之外，扩展到了许多相互作用粒子的领域
但是为了使效果可视化，从单个粒子开始仍然是有用的
通常，单个粒子是以转子的形式来讨论的，你可以把它想象成一个操场旋转木马(或者其他任何绕圈旋转的东西)
转子的能量(及其温度)与旋转速度直接相关
一个有稳定能量供应的转子——一个被定期“踢”的转子——是观察量子和经典物理学中能量流动差异的一种便捷方式
例如，想象大力士不知疲倦地在旋转木马上滑动
他的大部分挥杆都会加速，但偶尔一次挥杆会落地不稳并减慢速度
在这些(想象的)条件下，一个普通的旋转木马会旋转得越来越快，积累越来越多的能量，直到振动最终把整个东西震开
从理论上来说，这代表了一个正常的转子是如何在不达到能量极限的情况下永远发热的
在量子世界中，事情的发展是不同的
对于一个量子旋转木马来说，每次刷卡并不会简单地提高或降低速度
相反，每次滑动都会在不同的速度上产生量子叠加，这代表了发现转子以不同速度旋转的机会
直到你做了一个测量，一个特定的速度才会从前面的踢腿引起的量子叠加中显现出来
先前的研究，无论是理论上还是实验上的，都表明起初量子转子与普通转子的行为并没有因为这种区别而有很大的不同——平均来说，量子旋转木马在经历更多的踢腿后也会有更多的能量
但是一旦量子转子被踢够，它的速度就会趋于平稳
在某一点之后，我们的量子大力士的持续努力未能增加量子旋转木马的能量(平均而言)
这种行为在概念上类似于另一种无视热力学的量子现象——安德森局域化
凝聚态物理的创始人之一菲利普·安德森因发现这一现象而获得诺贝尔奖
他和他的同事解释了一个量子粒子，比如一个电子，尽管有许多明显的移动机会，却可能被捕获
他们解释说，固体中原子排列的不完美会导致量子粒子可用路径之间的量子干涉，改变它走每条路径的可能性
在安德森局域化中，任何路径上的几率都几乎为零，粒子被捕获在原地
动态局域化看起来很像安德森局域化，但是粒子的能量并没有被困在特定的位置，而是被卡住了
作为一个量子物体，转子的能量和速度被限制在一组量子化的值内
这些值形成类似于固体中原子位置的抽象网格或晶格，并且可以产生类似于物理空间中路径之间的干扰的能量状态之间的干扰
不同可能能量的概率，而不是粒子的可能路径，相互干扰，能量和速度被卡在一个单一的值附近，尽管正在踢
探索新的量子游乐场 虽然安德森定位为研究人员提供了一个理解单个被踢量子转子的视角，但它对许多相互作用的转子会发生什么留下了一些模糊之处，这些转子可以来回抛掷能量
一个普遍的预期是，额外的相互作用会破坏限制能量增加的量子平衡，从而允许正常加热
加利茨基和他的同事发现了一个一维系统，他们认为这个期望可能不成立
他们选择了一种相互作用的一维玻色气体作为他们的游乐场
在玻色气体中，沿着一条线来回滑动的粒子扮演了转子原地旋转的角色
气体原子遵循与被踢转子相同的基本原理，但在实验室中更实用
在实验室中，激光可以用来容纳气体，也可以用来将气体中的原子冷却到低温，这对于确保强量子行为至关重要
一旦团队选择了这个操场，他们就探索了许多相互作用的气体原子的数学模型
探索不同温度、相互作用强度和踢腿次数下的气体，需要团队在几种不同的数学技术之间切换，以获得完整的图像
最后，他们的结果表明，当一种强相互作用的气体在接近零的温度下开始时，它可以经历动态局域化
研究小组将这一现象命名为“多体动力学局域化”
" 该论文的合著者、布鲁克海文国家实验室的物理学家罗伯特·科尼克说:“这些结果具有重要的意义，从根本上证明了我们对这些系统的不完全理解。”
“它们还包含了可能应用的种子，因为不接受能量的系统应该对量子退相干效应不太敏感，因此可能对制造量子计算机有用
" 实验支持 当然，一个理论上的解释只是谜底的一半；实验证实对于了解一个理论是否有坚实的基础是必不可少的
幸运的是，在美国对面海岸的一个实验
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一直在追求同一个话题
与加利茨基的对话启发了加州大学圣塔芭芭拉分校的物理学副教授大卫·韦尔德，他利用自己团队的实验专长来探索多体动力学定位
“通常说服一个实验主义者做一个基于理论的实验并不容易，”加利茨基说
“这个案子有点意外，大卫已经准备好了一切
" Weld的团队正在使用一种被激光限制的锂原子量子气体来创建一个类似于Galitski团队开发的理论模型的实验
(主要区别在于，在实验中，原子在三维空间运动，而不仅仅是一维空间
) 在实验中，Weld和他的团队使用激光脉冲踢原子数百次，并反复观察它们的命运
对于不同的实验运行，他们将原子的相互作用强度调整到不同的值
“这很好，因为我们可以非常完美地进入一个非交互的状态，这是一个非常容易计算的行为，”韦尔德说
“然后我们可以不断地增加互动，进入一个更像维克多和他的同事在这篇最新论文中谈论的制度
而且我们确实观察到了本地化，即使是在我们可以添加到系统中的最强交互存在的情况下
这对我来说是个惊喜
" 他们的初步结果证实了这样的预测，即即使强相互作用是图景的一部分，多体动力学局域化也可能发生
这为研究人员试图确定量子世界和经典世界之间的界限提供了新的机会
瑞兰德说:“能够展示一些人们没有预料到的东西，并且在实验上有相关性，这很好。”
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