混沌量子系统中流体动力学涨落的出现。a，在没有大规模密度变化的失衡量子系统中，局部期望值（例如密度）迅速放松，而纠缠在更长的时间尺度上不断蔓延到整个系统。b，因此，子系统与其环境的纠缠越来越紧密，导致子系统中可观察物的波动，这些波动在比本地期望值慢得多的时间尺度上达到平衡。最终，达到热平衡，如本征态热化假说 （ETH） 所述。c，这种波动的缓慢流体动力学平衡被推测为经典地由 FHD 描述，它预测了由统计噪声驱动的粗粒度密度 n（x， t） 的统计的时间演变。图片来源：自然物理学 （2024）。DOI： 10.1038/s41567-024-02611-z

尽管由许多相互作用的小粒子组成的系统可能非常复杂和混乱，但有些系统仍然可以用简单的理论来描述。这也与量子物理学世界有关吗？

由 LMU 物理学院的 Monika Aidelsburger 教授和 Immanuel Bloch 教授领导的研究小组研究了有关量子多体系统的这个问题，并发现有迹象表明它们可以通过具有随机噪声的简单扩散方程从宏观上描述。这项研究最近发表在《自然物理学》杂志上。

“如果你想描述水的流动行为，你不需要从水分子的物理学开始。相反，你可以制定流动方程并在纯粹的宏观基础上分析问题，“Immanuel Bloch 研究团队的博士生、这项新研究的主要作者 Julian Wienand 解释说。

这种方法被称为流体动力学。然而，当我们观察水中小颗粒的运动时，我们发现它们不仅随流而走，而且还会做出称为布朗运动的小不稳定运动。这些波动是粒子与单个水分子随机碰撞的直接结果。

“因为这些不稳定的运动是随机的，所以我们可以将它们描述为白噪声，流体动力学变成了波动流体动力学 （FHD），”Wienand 说。“值得注意的是，这个 FHD 理论告诉我们，在某些情况下，系统的整个行为可能由一个量决定：扩散常数——即使物理学在微观层面上非常复杂和混乱。”这大大简化了此类系统的宏观描述，并且无需参与粒子微观相互作用的描述。

怀疑混沌系统通常可以用 FHD 来描述。但是，这是否以及在多大程度上也适用于混沌量子系统，在很大程度上仍然是一个悬而未决的问题。决定量子粒子如何相互作用的物理定律与支配经典粒子的物理定律有着根本的不同，其特征是“不确定性”和“纠缠”等现象，这与日常直觉相悖。与此同时，量子系统甚至更难计算，因此可能特别受益于 FHD 描述。

研究团队通过在显微镜下研究混沌多体量子系统的行为来追寻这个问题。为了观察动力学，该团队在非平衡初始状态下的光晶格中制备了一个超冷铯原子的量子系统，然后让它自由演化。

“我们的成像系统的高分辨率使我们能够不仅测量晶格位点中颗粒的平均密度，还可以测量它们的波动，”Wienand 说。“因此，我们能够测量波动和密度相关性如何随着时间的推移而增长，并得出结论，FHD 在定性和定量方面都描述了我们的系统。”研究人员认为这是一个重要的迹象，即混沌量子系统尽管具有微观复杂性，但可以简单地描述为宏观扩散过程——类似于布朗运动。

更多信息：Julian F. Wienand 等人，混沌量子系统中波动流体动力学的出现，自然物理学（2024 年）。DOI： 10.1038/s41567-024-02611-z

期刊信息： Nature Physics