从无序到有序成群的鸟儿和 "旋转 "的粒子
长期以来，物理学家们一直在研究，当各成分以新的方式相互作用时，能量和运动是如何在材料中产生的。现在，他们的研究探索了一个更加奇特的领域：能量和秩序如何在量子尺度上从非平衡相互作用中自发产生。在一项新的研究中，日本的研究人员发现了一种他们称之为 "量子活性物质 "的现象，并发现它表现出一种纯粹由量子力学和非赫米提动力学驱动的成群行为。他们的研究结果发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）上，揭示了量子版的成群结队是如何在没有任何明确的对齐相互作用的情况下出现的--这突破了我们对最小尺度上出现的行为的理解界限。
与被称为 "有源物质 "的经典对应物一样，量子有源物质由许多相互作用的部分组成，这些部分各自消耗和耗散能量。但与经典系统不同的是，量子有源物质的行为遵循奇特的量子力学规则，而不是经典的牛顿力学。"东京大学的首席研究员高山和明解释说："在经典活性物质中，你会看到像鸟儿成群结队一样的自我推动的粒子。"在我们的量子系统中，'粒子'实际上是量子比特，可以同时占据多个状态。它们的运动不是由经典轨迹控制，而是由量子波函数的复杂动力学控制"。
此前的研究人员已经从理论上提出了量子活性物质的概念，并展示了运动诱导相分离等经典现象如何在量子尺度上表现出来。但高山和他的合作者足立恭介（Kyosuke Adachi）、川口恭吾（Kyogo Kawaguchi）希望直接观察纯粹由量子非平衡动力学驱动的突发行为，而不与经典系统进行类比。"高山说："我们想探索没有经典对应物的奇怪的新物质状态。
研究小组建立了一个一维 "量子自旋 "理论模型--量子比特可以指向 "上 "或 "下"--在一条线上移动并相互影响。他们引入了经典活性物质系统中不存在的两个关键因素：自旋态之间的量子隧穿，以及由耗散驱动的不对称、依赖自旋的位点间跳跃。"Adachi 指出："耗散通常被视为破坏量子效应的东西。"但在这里，我们建设性地利用它来诱发新的突发行为"。
研究人员在计算机上模拟了这种 "量子活性自旋链 "的量子动力学，观察到它自发地过渡到一种奇特的物质新阶段。即使自旋之间没有任何明确的排列相互作用，该系统也自发地形成了长程铁磁秩序--整个自旋链上的所有自旋都指向同一个方向。"川口说："我们惊讶地看到，纯粹通过量子隧穿、相互作用和耗散的相互作用，这条链'簇拥'在了一起。
为了了解这一机制，研究小组证明，耗散总是会增加自旋随机指向的量子态的能量，而铁磁对齐态则保持不变。他们还解决了只有两个相互作用的自旋的简化情况，发现耗散诱导自旋紧密结合在一起，形成一种量子束缚态。"高山解释说："在顺磁阶段，自旋随机指向，耗散有利于束缚态构型，推动系统走向铁磁有序。
研究人员开发了一种简单的均场理论，用于解释双自旋束缚态的能量优势。它定性地捕捉到了完整模拟中看到的铁磁相变。"Adachi 说："我们的均值场理论表明，长程有序的出现最终源于耗散在局部诱导的短程束缚态。他们的研究首次揭示了波动、相关性和集体行为是如何仅从量子非平衡动力学中自发产生的。
这里揭示的 "量子成群 "现象超越了传统量子相变的界限，因为它归因于系统动力学复杂的非赫米提性质。因此，它可能符合普通量子临界点无法描述的新型临界行为。研究小组现在希望利用张量网络技术模拟更大的系统，探索这种转变在热力学极限下是否保持连续，以及临界指数与标准模型有何不同。
"起初，我们惊讶地发现，在量子模型中，各主体之间无需进行复杂的相互作用，就能出现排序。这与基于生物物理模型的预期不同"。
高山和明
研究人员还指出，他们的工作为使用冷原子气体的可编程量子模拟器的实现提供了可能。双组分量子气体和自旋依赖性跳变都已在实验中实现。"Takasan说："我们的理论表明，量子成群原则上可以通过在光学晶格势中设计耗散来观测。更广泛地说，他指出，他们的研究结果展示了如何在量子尺度上对非平衡波动进行精细控制，从而实现复杂结构的定向自组装--这为实现具有新兴功能的新型活性量子材料提供了一条途径。
随着量子模拟和人工智能加速了对超微观世界的发现，科学家们不断深入量子、非平衡和集体现象交织的未知领域。高山、足立和川口的研究表明，通过量子波动和非平衡过程的相互作用，即使在理想化的量子系统中，也能自组织出奇特的宏观秩序。他们对量子成群的发现表明，同步、成群和其他集体行为可能会从许多量子成分的嘈杂动态中自发产生，这是一个尚未探索的广阔领域。随着量子工程学的发展，这种现象有朝一日可能会为新型量子技术的设计提供依据，这些技术具有由最微小尺度上的合作波动产生的新兴功能。
参考文献
- 高山和明、足立京介、川口恭吾。一维量子多体系统中的活动诱导铁磁性。物理评论研究》，2024；6 (2) DOI:10.1103/PhysRevResearch.6.023096
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