量子世界挑战了我们生活在宏观世界中所产生的直觉。在量子世界中，微小粒子可以在任何距离上保持特殊的连接、穿过障碍物并同时沿着多条路径传播。

鲜为人知的量子行为是动态定域化(dynamical localization)，指尽管稳定地提供了能量，但量子对象仍保持相同温度的一种现象，这与冷物体总是会从较热物体吸收热量的基本假设背道而驰。该假设是热力学的关于热是如何运动的基石之一。

动态本地化违背了这一原理，这意味着在量子世界中发生了不寻常的事情，动态本地化可能是量子域终止和传统物理学开始的绝佳探针。理解量子系统如何维持或不维持量子行为，不仅对我们对宇宙的理解至关重要，而且对量子技术的实际发展也至关重要。

到目前为止，仅对单个量子对象进行了动态定位，这阻止了试图确定它发生转换的位置的探索。为了探究这个问题，联合量子研究所(Joint Quantum Institute，简称JQI)的科学家们研究了数学模型，以查看当许多量子粒子相互作用时是否仍然可以发生动态定位。为揭示物理原理，开发出模型以考虑各种温度、相互作用强度和时间长度。研究表明，即使在强烈互动的部分场景时，也会发生动态定位。该研究结果发表在最近的《物理评论快报》上。

量子旋转木马

该研究结果将动态定位从其单粒子起源扩展到许多相互作用粒子的状态。通常，单个粒子是用旋转粒子来考虑的，可以将其想象成游乐场的旋转木马或圆形旋转的其它物体。转子的能量及其温度直接与转子旋转的速度有关。具有稳定能量供应的转子是一种可视化的量子和经典物理学中能量流差异的便捷方法。

旋转木马是游乐场里的一种机动游戏场。想象有个大力神在旋转木马上不停地推动。大部分时间推动操作会加快速度，但偶尔操作的效果会很差，速度会变慢。在这些(虚构)条件下，正常的旋转木马旋转得越来越快，积累越来越多的能量，直到最终使整个物体破碎。从理论上讲，这代表了普通转子如何在不达到能量极限的情况下永久加热。

在量子世界中，情况有所不同。对于量子旋转木马(Quantum Merry-Go-Round)，每次推动都不会简单地增加或降低速度。取而代之的是，每次推动都会在不同的速度上产生一个量子叠加，代表找到以不同速率旋转的转子的机会。直到进行测量后，前面的驱动所导致的量子叠加才会出现特定的速度。

先前的理论和实验研究都显示，平均而言量子转子的行为与普通转子没有太大区别，旋转木马在经历更多的驱动之后还将具有更多的能量。但是一旦量子转子被足够地驱动，它的速度就会趋于平稳。在某一点之后，这个量子大力神的持续努驱动未能增加(平均)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(Anderson localization)。凝聚态物理的创始人之一菲利普·安德森(Philip Anderson)因发现这一现象而获得了诺贝尔奖。在凝聚态物理学中，安德森定域化指在无序介质中不存在波的扩散，是一种普遍的波现象，适用于电磁波、声波、量子波、自旋波等的传输。

安德森解释了尽管有许多明显的移动机会，但像电子一样的量子粒子如何会被捕获。他说，固体中原子排列的不完善会导致量子粒子可利用的路径之间发生量子干扰，从而改变了其沿每条路径移动的可能性。在安德森定位中，在任何路径上的机会几乎变为零，从而将粒子捕获在适当的位置。

动态定位看起来很像安德森定位，但是粒子的能量没有被束缚在特定位置，而是被卡住了。作为一个量子对象，转子的能量和速度都限制在一组量化值上。这些值形成类似于固体中原子位置的抽象网格或晶格，并且可能在能量状态之间产生干扰，类似于物理空间中路径之间的干扰。尽管存在持续的运动，但不同的可能能量(而不是粒子的可能路径)的概率会发生干扰，并且能量和速度会停留在单个值附近。

探索新的量子游乐场

虽然安德森定域化为研究人员提供了一个了解单量子转子的观点，但它对许多相互作用的转子之间发生的事情产生了歧义，这些转子可以来回抛掷能量。一个普遍的期望是，额外的相互作用将通过破坏限制能量增加的量子平衡而允许正常加热。

研究人员证实了一个一维系统，他们认为期望可能不成立。他们选择了一种相互作用的一维玻色气体作为“游乐场”。玻色气体(英语：Bose gas)是一个经典的理想气体的量子力学模型。其概念相似于费米气体。在玻色气体中，沿着一条线来回滑动的颗粒扮演着转子旋转到位的部分。气体原子遵循与推动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，可以使用激光来容纳气体，还可以将气体中的原子冷却至低温，这对于确保强烈的量子行为至关重要。

一旦团队选择了这个游乐场，他们就探索了许多相互作用的气体原子的数学模型。在各种温度、相互作用强度和推动次数下探测该气体需要团队在几种不同的数学技术之间进行切换才能获得全貌。最后，他们的结果结合起来表明，当具有强相互作用的气体在零温度附近开始时，会经历动态局部化。研究小组将此现象称为“多体动态定位”(many-body dynamical localization)。

布鲁克黑文国家实验室(Brookhaven National Laboratory，简称BNL)物理学家、论文作者之一、罗伯特·科尼克(Robert Konik)说：“这些结果具有重要意义，从根本上证明了我们对这些系统还不完全了解。” “它们还包含了可能的应用前景，因为不接受能量的系统对量子退相干效应应较不敏感，因此可能对制造量子计算机有用。”

实验支持

当然，理论上的解释只是难题的一半。实验确认对于了解某个理论是否扎实至关重要。与此同时，加州大学的研究团队也在通过他们的实验来探索多体动态定位。他们正在使用一种受激光限制的锂原子量子气体，以进行类似的理论模型的实验。

在实验中，该研究团队使用激光脉冲将原子驱动了数百次，并反复观察了其动态。对于不同的实验运行，他们将原子的相互作用强度调整为不同的值。研究人员说：“这很不错，因为我们可以非常完美地进入非交互状态，并且很容易计算出它的行为。” “然后我们可以不断地增加互动，并进入一种类似的体制。而且，即使存在最强大的互动，我们也可以观察到动态定位系统。这让我感到惊讶。”

上图为加州大学的研究设备，用于创建和处理量子气体以用于研究相互作用原子的动态定位，这与JQI研究工作相关。他们的初步结果证实了这样的预测，即使强相互作用是场景的一部分，也会发生多体动态定位。这为研究人员试图确定量子世界与古典世界之间的界限提供了新的机会。

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