近年来，物理学家一直试图更好地理解量子信息是如何在相互作用的粒子系统中传播的——这种现象通常被称为“混乱”。在封闭系统中，物理系统只能在系统内以不同的自由度交换能量，这是混沌多体量子动力学的一个特征。
在开放系统中，可以与周围环境交换能量和物质，置乱受到各种附加因素的影响，包括噪声和误差。虽然这些额外影响的影响已被充分记录，例如导致退相干，但它们如何影响打乱仍然知之甚少。
来自加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和哈佛大学的两名研究人员最近介绍了一个新的框架，发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上，该框架为开放量子系统中信息混乱的发生提供了一个普遍的图景。他们的框架为如何理解和模拟开放量子系统中的误差传播提供了一个特别简单的观点，并且可能已经有助于解释以前在磁共振实验中收集的一些令人困惑的观察结果。
“诺姆和我之前曾合作过几个项目，专注于量子信息混乱，”进行这项研究的研究人员之一托马斯·舒斯特(Thomas Schuster)告诉Phys.org。
“我们的一些工作集中在如何衡量混乱，而其他工作则集中在混乱可能对什么有用。在所有这些项目中，一个自然的问题不断出现:在现实生活中不可避免地发生的错误(即“开放系统”动力学)是如何修改混乱的?虽然这个问题显然很重要，但我们没有任何令人满意的框架来回答它。”
在探索这个问题的过程中，舒斯特尔和姚意识到，从实验的角度考虑问题可能会有所帮助。这最终导致了他们最近的研究。
“在开放系统动力学中，误差会干扰系统，我们想知道我们的实验对这些扰动的敏感性，”舒斯特说。这表明，实验对错误的敏感度一定与信息的混乱程度有关。在这个最初的想法的基础上，我们努力使错误和混乱之间的联系更加精确，并分析其对物理系统和实验的影响。”
Schuster和Yao最近的研究背后的关键思想是，开放系统中的信息混乱在某种程度上独立于错误本身的微观性质。相反，这完全取决于这些误差如何影响所谓的“算子大小分布”，这是在时间演化下算子复杂性的表征。
“操作员大小分布的动态决定了误差如何以精确的方式传播，”舒斯特解释说。在最简单的层面上，这是两个耦合微分方程的形式。方程的输入是算子大小的分布如何变化，而输出可以被认为是对误差如何传播的精确预测。”
虽然以前的一些研究暗示了这种联系，但到目前为止，还没有人能清楚而精确地表述出来。在这样做的过程中，Schuster和Yao发现错误和混乱之间的相互作用比之前预期的要微妙得多。
舒斯特说:“我们工作的另一个新结果是，错误也会改变信息混乱本身的行为。”这导致了错误和混乱之间有趣的相互作用，由上面提到的方程描述。这种相互作用的结果取决于动力学本身的性质，除了预测实验的各种性质外，还可以用作这些动力学的内在特征。”
在某些涉及所谓的“遍历”多体动力学的实验中，应用舒斯特和姚的框架的一个特别富有成效的背景出现了。这可以在未来的工作中进行和验证。
舒斯特说:“当我们完成我们的结果时，我们发现一个令人惊喜的发现是，我们的框架也适用于一大类实验——被称为‘洛施密特回声’——几十年来一直对核磁共振(NMR)和量子混沌界感兴趣。”“洛施密特回声是热力学中一个长期存在的思想实验，可以追溯到19世纪约瑟夫·洛施密特和热力学的基础。”
虽然围绕洛施密特回波的实验方法在量子模拟实验和固态磁共振研究中不断改进，但解释这些信号，特别是在后一种情况下相互作用的哈密顿量，仍然具有挑战性。
“实验学家会将各种函数形式(例如，高斯函数或指数函数或s型函数)与他们的数据相匹配，但从来没有解释过为什么一个特定的实验遵循一种函数形式而不是另一种，”舒斯特说。“在21世纪初，研究人员发现了一个如何描述少体量子系统中的洛施密特回声的框架;然而，多体系统的情况仍然是一个悬而未决的问题。我们相信我们的框架可以为这个问题提供答案。”
除了揭示误差如何在开放多体量子系统中传播之外，最近的研究还表明，洛施密特回波实验的数据可能包含比最初看到的更多的信息。
“误差和操作员大小分布动态的相互作用决定了洛施密特回波的功能形式，”舒斯特说。“我们相信，在我们可以进行数值研究的玩具模型中就是这种情况，在未来的工作中，我们希望对洛施密特回波实验数据进行更详细的分析，以确认我们的框架也适用于那里。”有几个迹象强烈表明它是有效的，我觉得这非常令人兴奋。”
展望未来，Schuster和Yao有兴趣将他们的新框架应用到各种其他实验中。他们还计划探索他们的结果对开放量子系统的经典模拟的影响。
姚说:“我们想知道，我们对这些开放系统中信息传播的理解，是否真的能让我们洞察到量子优势能从它们身上得到多少利用。”“另一方面，是否可以设计新的算法来有效地模拟开放量子系统。”
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