Возникновение гидродинамических флуктуаций в хаотической квантовой системе. 
a, В неравновесной квантовой системе без крупномасштабных изменений плотности локальные ожидаемые значения (такие как плотность) быстро релаксируют, в то время как запутанность продолжает распространяться по системе в гораздо более длительных временных масштабах. 
b, Таким образом, подсистема становится все более запутанной со своей средой, что приводит к флуктуациям наблюдаемых в подсистеме, которые уравновешиваются в гораздо более медленном временном масштабе, чем локальные ожидаемые значения. В конце концов достигается тепловое равновесие, как описано в гипотезе термализации собственного состояния (ETH). 
c, Предполагается, что это медленное гидродинамическое уравновешивание флуктуаций классически описывается FHD, которая предсказывает временную эволюцию статистики грубозернистой плотности n (x, t), обусловленную статистическим шумом.
Кредит: Nature Physics (2024). DOI: 10.1038/s41567-024-02611-z

Хотя системы, состоящие из множества взаимодействующих малых частиц, могут быть очень сложными и хаотичными, некоторые из них все же можно описать с помощью простых теорий. Относится ли это также к миру квантовой физики?

Исследовательская группа под руководством профессора Моники Айдельсбургер и профессора Иммануэля Блоха с физического факультета LMU исследовала этот вопрос, касающийся квантовых многочастичных систем, и обнаружила признаки того, что их можно описать макроскопически с помощью простых уравнений диффузии со случайным шумом. Исследование было недавно опубликовано в журнале Nature Physics.

«Если вы хотите описать поведение потока воды, вам не нужно начинать с физики молекул воды. Вместо этого вы можете сформулировать уравнения потока и проанализировать проблему на чисто макроскопической основе», — объясняет Джулиан Винанд, докторант в исследовательской группе Иммануэля Блоха и ведущий автор нового исследования.

Этот подход известен как гидродинамика. Однако, когда мы наблюдаем движение мелких частиц в воде, мы видим, что они не только переносятся потоком, но и совершают небольшие беспорядочные движения, известные как броуновское движение. Эти колебания являются прямым следствием случайных столкновений частиц с отдельными молекулами воды.

«Поскольку эти беспорядочные движения случайны, мы можем описать их как белый шум , и гидродинамика становится флуктуирующей гидродинамикой (FHD)», — говорит Винанд. «Примечательно, что эта теория FHD говорит нам, что при определенных обстоятельствах все поведение системы может определяться одной величиной: константой диффузии — даже если физика очень сложна и хаотична на микроскопическом уровне». Это значительно упрощает макроскопическое описание таких систем и устраняет необходимость заниматься описанием микроскопических взаимодействий частиц.

Применимо ли это также к квантовым системам?

Предполагается, что хаотические системы в целом могут быть описаны с помощью FHD. Но остается ли это верным и в какой степени для хаотических квантовых систем, остается в значительной степени открытым вопросом. Законы физики, определяющие взаимодействие квантовых частиц, принципиально отличаются от законов, управляющих классическими частицами, и характеризуются такими явлениями, как «неопределенность» и «запутанность», которые бросают вызов повседневной интуиции. В то же время квантовые системы еще сложнее рассчитать, и поэтому они могут особенно выиграть от описания FHD.

Изучая поведение хаотических многочастичных квантовых систем под микроскопом, учёные исследовали этот вопрос. Чтобы наблюдать динамику, была подготовлена квантовая система ультрахолодных атомов цезия в оптических решетках в неравновесном начальном состоянии, затем ей дали свободно эволюционировать.

Высокое разрешение системы визуализации позволяет измерять не только среднюю плотность частиц в узлах решетки, но и их флуктуации. Таким образом получилось измерить как флуктуации и корреляции плотности растут с течением времени, и сделать вывод, что FHD описывает систему как качественно, так и количественно. Исследователи считают это важным указанием на то, что хаотические квантовые системы, несмотря на их микроскопическую сложность, можно описать просто как макроскопический процесс диффузии — аналогичный броуновскому движению.