发现违反热力学的量子现象热量不会从高温量子，传到低温量子！

【手机软件：博科园】量子世界公然违背我们生活在相对较大宏观事物中时形成的直觉：比如山川、汽车、尘埃和你肉眼所能见到的万物。在量子世界中，量子纠缠的粒子可以在任何距离上保持特殊的连接，穿过障碍物，同时沿着多条路径行进。另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，即尽管有稳定的能量供应，量子对象仍保持在相同的温度，这与冷对象总是会从较热的对象那里窃取热量的热力学定律背道而驰。

即大家所熟知的热量自发地从高温物体传到低温物体，这个定律是热力学的基石之一。量子动态局域化无视这一原理的事实，意味着量子世界正在发生一些不寻常的事情：动态局域化可能是量子域结束和经典物理开始的一个极好探针。理解量子系统如何维持或未能维持量子行为，不仅对于我们理解宇宙，而且对于量子技术的实际发展都至关重要，其研究发现发表在《物理评论快报》期刊上。

联合量子研究所博士后研究员科林·莱兰兹说：在某种程度上，对世界的量子描述，必须转变为我们看到的经典描述，人们相信这是通过相互作用来实现的。到目前为止，只观察到了单个量子物体的动态局域化，这使得它无法帮助确定发生转换的位置。为了探索这个问题，联合量子研究所的研究团队研究了数学模型，看看当许多量子粒子相互作用时，是否仍然会出现动态局域化。为了揭示物理学，必须制作模型来解释不同的温度、相互作用强度和时间长度。

与经典粒子完全不同

研究结果表明，即使强相互作用是研究的一部分，动态局域化也可能发生。其结果是一个例子，说明单个量子粒子的行为与经典粒子完全不同，然后即使增加了强相互作用，行为仍然类似于量子粒子，而不是经典粒子。其结果将动力学局域化从单粒子起源扩展到多个相互作用粒子的区域，但是为了可视化效果，从单个粒子开始仍然很有用。通常，单个粒子以旋转体的形式进行讨论，你可以将其想象为游乐场的旋转木马(或任何其他旋转成圆圈的物体)。

转子的能量(及其温度)与其旋转速度直接相关，而一个有稳定能量供应的转子（一个被定期“踢”一下的转子）是一种直观地显示量子物理和经典物理中能量流动差异的便捷方式。例如，想象一下大力神不知疲倦地刷着旋转木马，他的大多数滑动都会加快速度，但偶尔一次滑动会导致落地不佳，速度变慢。在这些(想象的)条件下，正常的旋转木马会越来越快地旋转，积累越来越多的能量，直到振动最终把整个东西震得粉碎。

从理论上讲，这代表了一个正常转子是如何在不触及能量极限的情况下永远升温。在量子世界中，事情的发展不同，对于量子旋转木马来说，每一次滑动都不会简单地增加或降低速度。取而代之的是，每一次轻扫都会在不同的速度上产生量子叠加，代表着找到以不同速度旋转的转子的机会。只有在进行测量之后，才会从前面的“踢”引起量子叠加中出现特定的速度。之前的研究，无论是理论还是实验上的，都表明一开始量子转子的行为与普通转子并没有太大不同。

违反热力学的量子现象

因为这一区别，就平均而言，量子旋转木马在经历更多“踢”后也会有更多能量。但是一旦量子转子被踢得足够重，它的速度就会趋于平稳。在某一点之后，量子大力神的不懈努力(平均而言)并没有增加量子旋转木马的能量。这种行为在概念上类似于另一种违反热力学的量子现象，称为安德森定域化。凝聚态物理学创始人之一菲利普·安德森因发现这一现象而获得诺贝尔奖。菲利普·安德森和同事解释了为什么量子粒子，比如电子，会被困住，尽管有很多明显的移动机会。

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，从而改变它走每条路径的可能性。在安德森定域化中，处于任何路径上的机会几乎为零，使得粒子被困在原地。动态局域化看起来很像安德森定域化，但不是被困在特定位置，而是粒子的能量被卡住了。作为一个量子物体，转子的能量和速度被限制在一组量化值之内。这些值形成一个抽象的网格或晶格，类似于原子在固体中的位置，并且可以在能量状态之间产生类似于物理空间中路径之间的干涉。

探索新的量子游乐场

不同可能的能量概率，而不是粒子的可能路径，干涉，能量和速度被卡在单个值附近，尽管有持续的踢。虽然安德森定域化为研究人员提供了一个理解单个被踢量子转子的视角，但对于许多可以来回抛掷能量的相互作用转子会发生什么，它留下了一些模棱两可的东西。一种普遍的预期是，额外的相互作用将破坏限制能量增加的量子平衡，从而允许正常加热。研究发现了一个一维系统，在这个系统中，预期可能不会成立。

研究人员选择了一种相互作用的一维玻色气体，作为量子游乐场。在玻色气体中，沿着一条线来回拉开的粒子，扮演着转子在适当位置旋转的角色。气体原子遵循与被踢转子相同的基本原理，但在实验室中使用更实用。在实验室中，激光可以用来容纳气体，也可以将气体中的原子冷却到较低温度，这对于确保强大的量子行为必不可少。一旦研究小组选择了这个玻色量子游乐场，就探索了许多相互作用气体原子的数学模型。

在不同的温度、相互作用强度和踢的次数下探索气体，需要研究团队在几种不同的数学技术之间切换，以获得完整的图像。最后的结果结合在一起表明：当一个强相互作用的气体，在零温度附近开始时，它可以经历动态局部化，该团队将这种现象命名为“多体动力学局部化”。研究的合著者、布鲁克海文国家实验室的物理学家罗伯特·科尼克(Robert Konik)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。

实验支持

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那么敏感，因此可能对制造量子计算机有用。当然，理论解释只是谜团的一半；实验证实对于了解理论是否站得住脚至关重要。幸运的是，美国一项实验一直在研究同样的话题，这启发了加州大学圣巴巴拉分校物理学副教授大卫·韦尔德利用团队的实验专业知识来探索多体动力学，通常情况下，说服实验者做基于理论的实验并不容易。

研究团队使用锂原子的量子气体，这种气体受到激光的限制，以创建一个类似于加里茨基团队开发的理论模型实验（主要的不同之处在于，在实验中，原子运动是三维的，而不是只有一维）。在实验中，研究团队使用激光脉冲踢原子数百次，并反复观察它们，在实验的不同阶段，将原子的相互作用强度调到不同值。这可以非常完美地进入一个不相互作用的区域，这是很容易计算出其行为的。

然后可以不断增加相互作用，进入一种更像新研究中的理论现象，确实观察到了安德森定域化，即使在可以为系统增加的最强相互作用情况下也是如此。初步结果证实了这样的预测：即即使强相互作用是图像的一部分，多体动力学局部化也可以发生，这为研究人员试图确定量子世界和经典世界之间的边界打开了新机会。研究能够展示一些人们没有预料到的东西，而且它在实验上也是相关的，这是非常棒的！

博科园｜研究/来自：联合量子研究所