新的聚焦方法可以帮助解决混乱的量子扰乱问题

世界是一个杂乱、喧闹的地方，有效集中注意力的能力是一项宝贵的技能。例如，在一个熙熙攘攘的聚会上，餐具的碰撞声、谈话声、音乐声、衬衫标签的刮擦声以及几乎所有其他声音都必须淡入背景，以便您专注于寻找熟悉的面孔或向旁边的人提供您的信息。一心一意。

同样，自然和实验充满了干扰和可忽略不计的相互作用，因此科学家需要刻意将注意力集中在有用信息的来源上。例如，拥挤的聚会的温度是空气中每个分子、气流、空气中的分子在客人身上反弹时吸收热量以及许多其他相互作用所携带的能量的结果。

但如果你只是想测量房间的温度，你最好使用温度计，它可以为你提供附近粒子的平均温度，而不是试图检测和跟踪从原子水平开始发生的一切。一些精心选择的特征(例如温度和压力)通常是理解复杂现象的关键。

对于研究人员在研究量子物理时集中注意力尤其有价值。科学家们已经证明，量子力学准确地描述了小粒子及其相互作用，但当研究人员考虑许多相互作用的量子粒子时，细节往往变得令人难以承受。

将量子物理规则应用于几十个粒子通常比任何物理学家(即使使用超级计算机)都可以跟踪的要多。因此，在量子研究中，科学家经常需要识别基本特征，并确定如何使用它们来提取实用的见解，而不被淹没在大量的细节中。

在2024年1月发表在《物理评论快报》杂志上的一篇论文中，JQI研究员VictorGalitski和JQI研究生AmitVikram发现了一种新方法，研究人员可以通过该方法获得有用的见解，了解与粒子配置相关的信息如何分散并有效丢失。时间。他们的技术专注于一个单一特征，该特征描述了量子系统的不同配置如何保持不同数量的能量。

该方法提供了对量子粒子集合如何演化的深入了解，而研究人员无需处理使系统随时间变化的复杂相互作用。

这一结果源于之前的一个项目，其中两人提出了量子世界混沌的定义。在该项目中，两人使用了一个描述能量-时间不确定性关系的方程——海森堡位置和动量不确定性原理的不太受欢迎的表亲。

海森堡测不准原理意味着在同时了解量子粒子的位置和动量的准确度之间始终存在权衡。能量-时间不确定性关系所描述的权衡并不像它的表兄弟那样明确定义，因此研究人员必须根据不同的情况调整其应用，并小心如何解释它。但总的来说，这种关系意味着更精确地了解量子态的能量会增加该态转变为新态所需的时间。

当加利茨基和维克拉姆思考能量-时间不确定性关系时，他们意识到它自然适合研究量子系统的变化——即使是那些具有许多粒子的系统——而不会陷入太多细节。利用这种关系，两人开发了一种方法，仅使用系统的单个特征来计算初始量子粒子集合中包含的信息混合和扩散的速度。

他们构建方法所围绕的特征称为光谱形状因子。它描述了量子物理学允许系统持有的能量以及它们的常见程度——就像一张地图，显示对于特定的量子系统哪些能量是常见的，哪些是罕见的。

地图的轮廓是量子物理学的一个定义特征的结果，即量子粒子只能在具有不同量子化能量的某些状态下找到。而当量子粒子相互作用时，整个组合的能量也仅限于某些离散的选项。

对于大多数量子系统，一些允许的能量只能由粒子的单一组合产生，而其他能量可以由许多不同的组合产生。系统中各种能量配置的可用性深刻地塑造了所产生的物理现象，使光谱形状因子成为研究人员的宝贵工具。

加利茨基和维克拉姆围绕光谱形状因子定制了能量时间不确定性关系的公式来开发他们的方法。该方法自然适用于信息的传播，因为信息和能量在量子物理学中密切相关。

在研究这种扩散时，加利茨基和维克拉姆将注意力集中在物理学中一个名为“快速置乱猜想”的悬而未决的问题上，该猜想的目的是确定组织初始粒子集合被置乱所需的时间——获得其信息在所有相互作用的粒子中混合并扩散，直到它变得实际上不可恢复。

该猜想不仅仅涉及单个情况下可能的最快加扰，而是涉及加扰所需的时间如何根据系统的大小或复杂性而变化。

量子扰乱期间的信息丢失类似于冰雕融化。假设一位雕塑家在冰上拼出了“天鹅”这个词，然后在阳光明媚的日子里心不在焉地把它放在一桶水里。最初，您一眼就能读懂这个词。后来，“s”掉到了一边，“a”的顶部也脱落了，使它看起来像“u”，但你仍然可以准确地猜出它曾经拼写的是什么。

但是，在某些时候，那里只是一滩水。天气可能仍然很冷，这表明最近有冰，但没有实际的希望去弄清楚这些冰是一个栩栩如生的天鹅雕塑，刻在“天鹅”这个词上，还是只是一块无聊的冰块。

这个过程需要多长时间取决于冰和周围环境：对于湖中的小冰块来说可能需要几分钟，对于小水坑中的两英尺高的中心冰块来说可能需要整个下午。

冰雕就像一部分量子粒子中包含的初始信息，而周围的水就是它们可以相互作用的所有其他量子粒子。但是，与冰不同的是，量子世界中的每个粒子可以同时处于多种状态，称为量子叠加，并且可以通过量子纠缠紧密地联系在一起，这使得在有机会改变后推断原始状态变得更加困难。

出于实际原因，加利茨基和维克拉姆设计了他们的技术，使其适用于研究人员永远不知道所有相互作用的量子粒子的确切状态的情况。

他们的方法适用于一系列情况，从信息存储在所有相互作用的量子粒子的一小部分中到信息存储在大多数粒子上的情况(从湖中的冰块到水坑中的雕塑)。这使得该技术比以前仅适用于存储在一些原始粒子上的信息的方法具有优势。

利用这项新技术，两人可以深入了解在各种量子情况下量子信息有效融化需要多长时间。只要他们知道光谱形状因素，他们就不需要知道其他任何事情。

该论文的第一作者维克拉姆说：“能够在尽可能少的假设下制定陈述总是一件好事，这意味着它们在你的基本假设范围内尽可能普遍。”“现在的一个小好处是，光谱形状因子是我们原则上可以测量的一个量。”

研究人员测量光谱形状因子的能力将使他们能够使用该技术，即使系统的许多细节仍然是个谜。如果科学家没有足够的细节来从数学上推导光谱形状因子或定制粒子及其相互作用的自定义描述，测量的光谱形状因子仍然可以提供有价值的见解。

作为应用该技术的一个例子，Galitski和Vikram研究了一种称为Sachdev-Ye-Kitaev(SYK)模型的量子扰乱模型。一些研究人员认为，SYK模型和信息在落入黑洞时被扰乱和丢失的方式可能有相似之处。

加利茨基和维克拉姆的结果表明，当他们观察越来越多的粒子时，扰乱时间变得越来越长，而不是尽快适应扰乱的条件。

“大量粒子的集合需要很长时间才能将信息丢失到系统的其余部分，”维克拉姆说。“这是我们可以通过非常简单的方式得到的东西，除了它的能谱之外，无需了解SYK模型的结构。它与人们一直在考虑的黑洞简化模型有关。但它的真实内部黑洞可能会变得与任何人想象的完全不同。”

加利茨基和维克拉姆希望未来的实验能够证实他们的结果，他们计划继续寻找更多方法将一般量子特征与所产生的动力学联系起来，而不依赖于许多具体细节。

他们和他们的同事还在研究每个系统应满足的光谱形状因子的特性，并努力确定对所有量子系统通用的加扰约束。