测试多粒子量子系统的新理论

使用被困一维气体的新实验——原子冷却到宇宙中最冷的温度并被限制，因此它们只能在一条线上移动——符合最近发展起来的“广义流体动力学”理论的预测。量子力学对于描述这些气体的新特性是必要的。更好地理解具有许多粒子的系统如何随时间演化是量子物理学的前沿。结果可以极大地简化对被激发出平衡的量子系统的研究。除了其根本重要性之外，它还可以最终为基于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。科学。

即使在可以忽略量子力学额外复杂性的经典物理学中，也不可能模拟移动流体中所有原子的运动。为了近似这些粒子系统，物理学家使用流体动力学描述。

“流体动力学背后的基本思想是忘记原子并将流体视为连续体，”宾夕法尼亚州立大学物理学教授、研究团队的领导者之一马科斯·里戈尔说。“为了模拟流体，人们最终会编写由施加一些约束(例如质量和能量守恒)产生的耦合方程。这些是求解相同类型的方程，例如，模拟打开窗户时空气的流动方式改善房间的通风。”

如果涉及到量子力学，事情就会变得更加复杂，就像人们想要模拟失去平衡的量子多体系统一样。

“由许多相互作用的粒子(例如原子)组成的量子多体系统是原子物理学、核物理学和粒子物理学的核心，”宾夕法尼亚州立大学物理学杰出教授、该领域的领导者之一戴维·韦斯 (David Weiss) 说。研究团队。“过去，除了在极端情况下，你无法进行计算来描述失衡的量子多体系统。最近情况发生了变化。”

这种变化是由被称为广义流体动力学的理论框架的发展所推动的。

“这些一维量子多体系统的问题在于，它们对运动的限制太多，无法使用常规流体动力学描述，”Rigol 说。“广义流体动力学的开发是为了跟踪所有这些限制。”

到目前为止，广义流体动力学之前仅在粒子之间相互作用强度较弱的条件下进行了实验测试。

Weiss 说：“我们着手进一步测试该理论，通过观察具有广泛相互作用强度的一维气体的动力学。” “实验得到了很好的控制，因此可以将结果与该理论的预测进行精确比较。

研究小组使用相互作用原子的一维气体，这些气体最初被限制在一个非常浅的平衡陷阱中。然后它们突然将陷阱的深度增加了 100 倍，这迫使粒子塌陷到陷阱的中心，导致它们的集体属性发生变化。在整个坍塌过程中，该团队精确测量了它们的特性，然后他们可以将其与广义流体动力学的预测进行比较。

“我们的测量结果与几十个陷阱振荡的理论预测相匹配，”Weiss 说。“目前没有其他方法可以以合理的精度长时间研究非平衡量子系统，尤其是对于大量粒子。广义流体动力学允许我们对某些系统(例如我们测试的系统)进行此操作，但是它的普遍适用性还有待确定。”

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