理解量子混沌的理论突破可以为研究量子信息和量子计算，多体物理学，黑洞以及仍然难以捉摸的量子到经典过渡开辟新的道路。
“通过将平衡的能量增益和损失应用于开放量子系统，我们找到了一种方法来克服以前存在的局限性，即假设与周围环境的相互作用会减少量子混沌，”洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家Avadh Saxena说，他是在《物理评论快报》上发表关于量子混沌的论文的团队的成员。.“这一发现为研究量子模拟和量子信息理论指明了新的方向。
量子混沌不同于经典物理混沌理论。后者试图理解对初始条件高度敏感的确定性（或非随机）模式和系统。所谓的蝴蝶效应是最熟悉的例子，德克萨斯州蝴蝶翅膀的襟翼可以通过一个令人困惑的复杂但不是随机的因果链，导致堪萨斯州的龙卷风。
另一方面，量子混沌用量子理论来描述混沌的经典动力系统。量子混沌是黑洞等复杂系统中发生的信息混乱的原因。它以其特征模式和频率之间的相关性的形式在系统的能谱中揭示自己。
人们认为，当量子系统通过耦合到系统外的环境（所谓的量子到经典过渡）而失去相干性或其“量子性”时，量子混沌的特征就会被抑制。这意味着它们不能被利用为量子信息或可以纵的状态。
事实证明，这并不完全正确。Saxena，卢森堡大学的物理学家Aurelia Chenu和Adolfo del Campo以及合作者发现，在某些情况下，量子混沌的动力学特征实际上得到了增强，而不是被抑制。
“我们的工作挑战了退相干通常抑制量子混沌的期望，”Saxena说。
量子系统光谱中的能量值以前被认为是复数 – 即具有虚数分量的数字 – 因此在实验环境中没有用处。但是，通过在系统中的对称点添加能量增益和损失，研究小组发现了能量谱的实际值，前提是增益或损失的强度低于临界值。
“平衡的能量增益和损失提供了一种物理机制，可以在实验室中实现在复杂多体量子系统的理论和数值研究中无处不在的能量光谱滤波，”del Campo说。“具体来说，能量去相中平衡的能量增益和损失导致了最佳的光谱滤光片。因此，人们可以利用平衡的能量增益和损失作为实验工具，不仅可以探测量子混沌，还可以研究一般的多体量子系统。
Saxena和del Campo解释说，通过改变退相干，滤波器可以更好地控制系统中的能量分布。例如，这在量子信息中很有用。
“退相干限制了量子计算，因此，由于增加量子混沌会降低退相干，因此您可以将计算时间延长，”Saxena说。
该团队的论文建立在Carl Bender（圣路易斯华盛顿大学和洛斯阿拉莫斯前乌拉姆学者）和Stefan Boettcher（以前在洛斯阿拉莫斯，现在在埃默里大学）之前的理论工作的基础上。他们发现，与二十世纪初公认的范式相反，一些量子系统在某些对称性下产生真正的能量，即使它们的哈密顿量不是埃尔米特的，这意味着它满足某些数学关系。一般来说，这样的系统被称为非埃尔米特哈密顿量。哈密顿量定义了系统的能量。
“普遍的理解是，退相干抑制了埃尔米特系统的量子混沌，具有真正的能量值，”Saxena说。“所以我们想，如果我们采用一个非埃尔米特系统呢？”
该研究论文研究了在特定点（即增益）将能量泵入波导中，然后再次对称地将能量泵出（损耗）的例子。波浪导是一个开放的系统，能够与环境交换能量。他们发现，这个过程和相互作用不会引起退相干，而是增加了相干性和量子混沌。
更多信息：Julien Cornelius等人，由非埃尔米特进化引起的光谱滤波与平衡的增益和损失：增强量子混沌，物理评论快报（2022）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.128.190402
期刊信息：物理评论快报
