理解量子混沌的理論突破可以為研究量子信息和量子計算，多體物理學，黑洞以及仍然難以捉摸的量子到經(jīng)典過渡開辟新的道路。

“通過將平衡的能量增益和損失應用于開放量子系統(tǒng)，我們找到了一種方法來克服以前存在的局限性，即假設(shè)與周圍環(huán)境的相互作用會減少量子混沌，”洛斯阿拉莫斯國家實驗室的理論物理學家Avadh Saxena說，他是在《物理評論快報》上發(fā)表關(guān)于量子混沌的論文的團隊的成員。.“這一發(fā)現(xiàn)為研究量子模擬和量子信息理論指明了新的方向。

量子混沌不同于經(jīng)典物理混沌理論。后者試圖理解對初始條件高度敏感的確定性（或非隨機）模式和系統(tǒng)。所謂的蝴蝶效應是最熟悉的例子，德克薩斯州蝴蝶翅膀的襟翼可以通過一個令人困惑的復雜但不是隨機的因果鏈，導致堪薩斯州的龍卷風。

另一方面，量子混沌用量子理論來描述混沌的經(jīng)典動力系統(tǒng)。量子混沌是黑洞等復雜系統(tǒng)中發(fā)生的信息混亂的原因。它以其特征模式和頻率之間的相關(guān)性的形式在系統(tǒng)的能譜中揭示自己。

人們認為，當量子系統(tǒng)通過耦合到系統(tǒng)外的環(huán)境（所謂的量子到經(jīng)典過渡）而失去相干性或其“量子性”時，量子混沌的特征就會被抑制。這意味著它們不能被利用為量子信息或可以縱的狀態(tài)。

事實證明，這并不完全正確。Saxena，盧森堡大學的物理學家Aurelia Chenu和Adolfo del Campo以及合作者發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，量子混沌的動力學特征實際上得到了增強，而不是被抑制。

“我們的工作挑戰(zhàn)了退相干通常抑制量子混沌的期望，”Saxena說。

量子系統(tǒng)光譜中的能量值以前被認為是復數(shù) – 即具有虛數(shù)分量的數(shù)字 – 因此在實驗環(huán)境中沒有用處。但是，通過在系統(tǒng)中的對稱點添加能量增益和損失，研究小組發(fā)現(xiàn)了能量譜的實際值，前提是增益或損失的強度低于臨界值。

“平衡的能量增益和損失提供了一種物理機制，可以在實驗室中實現(xiàn)在復雜多體量子系統(tǒng)的理論和數(shù)值研究中無處不在的能量光譜濾波，”del Campo說。“具體來說，能量去相中平衡的能量增益和損失導致了最佳的光譜濾光片。因此，人們可以利用平衡的能量增益和損失作為實驗工具，不僅可以探測量子混沌，還可以研究一般的多體量子系統(tǒng)。

Saxena和del Campo解釋說，通過改變退相干，濾波器可以更好地控制系統(tǒng)中的能量分布。例如，這在量子信息中很有用。

“退相干限制了量子計算，因此，由于增加量子混沌會降低退相干，因此您可以將計算時間延長，”Saxena說。

該團隊的論文建立在Carl Bender（圣路易斯華盛頓大學和洛斯阿拉莫斯前烏拉姆學者）和Stefan Boettcher（以前在洛斯阿拉莫斯，現(xiàn)在在埃默里大學）之前的理論工作的基礎(chǔ)上。他們發(fā)現(xiàn)，與二十世紀初公認的范式相反，一些量子系統(tǒng)在某些對稱性下產(chǎn)生真正的能量，即使它們的哈密頓量不是埃爾米特的，這意味著它滿足某些數(shù)學關(guān)系。一般來說，這樣的系統(tǒng)被稱為非埃爾米特哈密頓量。哈密頓量定義了系統(tǒng)的能量。

“普遍的理解是，退相干抑制了埃爾米特系統(tǒng)的量子混沌，具有真正的能量值，”Saxena說。“所以我們想，如果我們采用一個非埃爾米特系統(tǒng)呢？”

該研究論文研究了在特定點（即增益）將能量泵入波導中，然后再次對稱地將能量泵出（損耗）的例子。波浪導是一個開放的系統(tǒng)，能夠與環(huán)境交換能量。他們發(fā)現(xiàn)，這個過程和相互作用不會引起退相干，而是增加了相干性和量子混沌。

更多信息：Julien Cornelius等人，由非埃爾米特進化引起的光譜濾波與平衡的增益和損失：增強量子混沌，物理評論快報（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.190402

期刊信息：物理評論快報