這個物理玩具的一個小版本揭示了量子秘密

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

牛頓搖籃中金屬球的節(jié)奏性咔嗒響聲長期以來一直讓物理學(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)。

在柜臺上放一大杯熱咖啡，它會逐漸冷卻，直到達(dá)到熱平衡，與房間的溫度相匹配。這個過程稱為熱化，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：“這是我們從根本上無法理解的物理學(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)會議上介紹了這項工作。。Lev說，缺乏對這種基本過程的理解意味著“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。向后拉一個球并讓它回落到另一個球上，另一端的球彈出然后向后擺動并重復(fù)這個過程。這種有規(guī)律的重復(fù)運動一直持續(xù)到摩擦減慢了球的擺動。

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)造了一個由大約700個這樣的量子牛頓搖籃組成的陣列，每個搖籃由大約50個元素鏑原子組成，并用激光踢它們。

對于量子牛頓搖籃的熱化，所有原子必須隨機(jī)移動 - 類似于一杯咖啡中的搖晃分子 - 而不是常規(guī)的來回模式。為了實現(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。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動的混亂(SN Online：9/16/13)。

通過改變原子磁極的方向，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上的一篇論文中報告說，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)果對于設(shè)計超小型設(shè)備(SN：3/19/16，第18頁)和量子計算機(jī)非常重要，這些設(shè)備可以使用量子力學(xué)進(jìn)行有效的計算(SN：7/8/17，第28頁)。奧地利技術(shù)大學(xué)的物理學(xué)家JörgSchmiedmayer表示：“如果你想擁有一臺量子計算機(jī)，它將遠(yuǎn)離平衡。”他沒有參與這項研究。這是因為，在平衡狀態(tài)下，由于粒子屬性的擾亂，信息會丟失。

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

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