奥地利维也纳技术大学在量子系统中成功演示“庞加莱回归”
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奥地利维也纳技术大学在量子系统中成功演示“庞加莱回归”。维也纳|奥地利|回归|大学---
导读
奥地利维也纳技术大学在量子系统中成功演示“庞加莱回归”。维也纳|奥地利|回归|大学---
近日，奥地利维也纳技术大学的研究人员成功地在多粒子量子系统中，演示了“庞加莱回归”。
背景
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物理学历史上出现过许多意义非凡的成果，例如：相对论、量子力学等等。然而，“庞加莱回归定理”（"Poincaré Recurrence Theorem"）也是其中一个，它是现代混沌理论的基础。该定理的大致描述如下：
一个不受外力作用的有限闭合的孤立的物质运动系统，必将作周期循环式的内在运动，这叫始态复现定理，也称庞加莱回归论。
简单说，一个孤立而有限的系统在长期演化过程中，将回到一个非常接近初始状态的状态。这就是有限系统的轮回。举例来说，在一个容器中，气体粒子混沌地旋转着，过了一段时间之后，将返回它们的初始位置。
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（图片来源：维也纳技术大学）
干涉图样中也可以发现“庞加莱回归”，经过一段时间，它将归回初始的平行图案。
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（图片来源：维也纳技术大学）
近几十年来，科学家们一直都在研究如何将这个理论应用于量子力学世界。
创新
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近日，奥地利维也纳技术大学的研究人员成功地在多粒子量子系统中，演示了“庞加莱回归”（Poincaré recurrence）。研究成果发表于《科学（Science）》杂志。
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（图片来源：维也纳技术大学）
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技术
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19世纪末，法国科学家亨利·庞加莱研究了无法以完美精度全面分析的系统，例如由许多行星和小行星组成的太阳系，或者是保持相互碰撞的气体粒子。他的研究成果令人惊喜：每个物理上可能的状态都会在某一时刻被系统占有（至少是非常地接近）。如果，我们等得足够久，在某个时刻，所有的行星将会形成一条直线，如同巧合一样。盒子中的气体粒子将会形成有趣的图案，或者返回实验开始时它们所处的状态。
类似的理论被证明也可用于量子系统。然而，量子系统具有完全不同的规则。奥地利维也纳技术大学原子与亚原子物理研究所教授 J?rg Schmiedmayer 表示：“在量子物理中，我们必须以一种全新的方法，解决这一问题。由于非常根本性的原因，由许多粒子组成的大型量子系统的状态，永远无法被完美地测量。除此之外，粒子无法被视为独立的物体，我们必须考虑它们在量子力学意义上的纠缠。”
科学家们一直致力于在量子系统中演示“庞加莱回归”，但是迄今为止，只在非常少量的粒子上进行了演示，这些粒子的状态可以被尽可能精准地测量。这一过程极度复杂，而且将系统带回到其初始状态的时间，随着粒子数量的增加而显著增加。奥地利维也纳技术大学 J?rg Schmiedmayers 团队选择了一种全新方案。论文第一作者 Bernhard Rauer 表示：“我们对于系统完整的内部状态（无法进行测量）没太多兴趣。我们反而想要问，哪些量是我们可以观察的？这些量将告诉我们一些有关整体系统的有意思的东西。此外，这些群集的量是否会在某个时间返回它们的初始值？”
团队研究了由成千上万个原子组成的超冷气体的行为。通过电磁场，这些原子被安置在芯片上适当的位置。这个项目理论计算的负责人 Sebastian Erne 表示：“有几个不同的量描述了这些量子气体的特性，例如气体中的相干距离，以及空间中不同点之间的相关函数。这些参数告诉我们，粒子是如何通过量子力学效应紧密联系的。我们每天的直觉并不会用于处理这些量，但是对于量子力学系统来说，它们非常关键。”
价值
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通过测量这些量（它们不是关于单个粒子，而是关于整个系统的特性），确实有可能观察到科学家们长期以来寻找的量子回归。 J?rg Schmiedmayer 表示：“通过我们的原子芯片，我们甚至可以对于系统返回一个特殊状态的时间施加影响。通过测量这种回归，我们学习到了许多关于原子群集动力学的知识，例如，关于气体中的声速，或者密度波的散射。”
关于这个老问题：量子系统是否会回归？最终的答案是肯定的。但是，回归的概念必须稍稍地重新定义。我们并不是尝试搞清楚系统完整的内部量子状态，因为它是无法测量的。相反，更有意义的是专注于量子实验中可以测量的量。这些量在离开它们的初始值之后，可以被测量到，并最终返回它们的初始状态。
关键字
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量子技术、物理、原子、芯片
参考资料
奥地利维也纳技术大学在量子系统中成功演示“庞加莱回归”。维也纳|奥地利|回归|大学---
【1】https://www.tuwien.ac.at/en/news/news_detail/article/125636/
【2】Bernhard Rauer, Sebastian Erne, Thomas Schweigler, Federica Cataldini, Mohammadamin Tajik, J?rg Schmiedmayer. Recurrences in an isolated quantum many-body system
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. Science, 2018; eaan7938 DOI: 10.1126/science.aan7938- 现在，学什么技术好
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