量子工程学习
新的实验利用被捕获的一维气体——原子被冷却到宇宙中最冷的温度，并被限制在一条直线上移动——符合最近发展的“广义流体动力学”理论的预测。要描述这些气体的新性质，量子力学是必要的。更好地理解这种包含许多粒子的系统是如何在时间上进化的，是量子物理学的前沿。这一结果可以极大地简化对被激发出平衡态的量子系统的研究。除了其基础性的重要性，它最终可能会为量子技术的发展提供信息，包括量子计算机和模拟器、量子通信和量子传感器。一篇描述宾夕法尼亚州立大学物理学家领导的团队实验的论 将于2021年9月2日发表在《科学》杂志上。
即使在经典物理学中，量子力学的额外复杂性可以忽略不计，也不可能模拟移动流体中所有原子的运动。物理学家使用流体动力学描述来近似这些粒子系统。
“流体动力学背后的基本思想是忘记原子，把流体视为一个连续体，”宾夕法尼亚州立大学(Penn State)物理学教授、该研究团队的领导者之一马科斯·里戈尔(Marcos Rigol)说。“为了模拟流体，人们最终会写出一些耦合方程，这些方程是施加一些约束的结果，比如质量和能量守恒。这些都是相同类型的方程，例如，当你打开窗户以改善房间通风时，模拟空气流动。”
如果涉及到量子力学，物质就会变得更加复杂，就像人们想要模拟不平衡的量子多体系统一样。
“量子多体系统——由许多相互作用的粒子组成，比如原子——是原子、原子核和粒子物理学的核心，”宾夕法尼亚州立大学物理系杰出教授、该研究团队的领导者之一戴维·韦斯(David Weiss)说。“过去，除非在极端的极限下，你无法进行计算来描述非平衡量子多体系统。最近变了。”
这种变化是由一种被称为广义流体动力学的理论框架的发展所推动的。
“一维量子多体系统的问题是，它们的运动受到太多的限制，常规的流体动力学描述无法使用，”Rigol说。“广义流体力学的发展就是为了追踪所有这些约束条件。”
到目前为止，广义流体力学只在粒子间相互作用强度较弱的条件下进行了实验测试。
“我们开始进一步测试这个理论，通过观察具有广泛相互作用强度的一维气体的动力学，”Weiss说。“这些实验控制得非常好，所以结果可以与该理论的预测进行精确比较。
该研究小组使用了一种由相互作用的原子组成的一维气体，这种气体最初被限制在一个非常浅的平衡阱中。然后，它们突然将陷阱的深度增加100倍，迫使粒子坍塌到陷阱的中心，导致它们的集体属性改变。在整个坍塌过程中，研究小组精确测量了它们的特性，然后将其与广义流体动力学的预测进行比较。
“我们的测量结果与数十个陷阱振荡的理论预测相符，”Weiss说。“目前还没有其他方法来以合理的精确度长时间研究非平衡量子系统，尤其是有很多粒子的情况下。广义流体力学允许我们在一些系统上这样做，比如我们测试的系统，但它的普遍适用性仍有待确定。”
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