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原創丨百年孤寂（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
在處于平衡狀態的量子多體系統中，普適性的概念斷言，微觀細節并不影響物質的涌現量子相及其躍遷的性質。相反，對稱性和拓撲結構決定了基本的宏觀性質。相比之下，所有的尺度，從低能到高能，都是與遠離熱平衡的量子系統先驗相關的。工程相干和相互作用量子系統的最新實驗進展使創造和探索奇異的非平衡態成為可能，這些非平衡態可以展示非常規的弛豫動力學、動力學相以及它們之間的過渡。確定非平衡量子態的普遍性質是現代物理學的一個主要挑戰。一個有趣的預測是，經典流體力學普遍出現在任何相互作用的量子系統的演化中。
有鑒于此，奧地利科學院量子光學與量子信息研究所Roos團隊通過實驗探測了51個單獨控制離子的量子動力學，實現了一個遠程相互作用的自旋鏈。通過測量無限溫度狀態下的時空分辨相關函數，觀察到一個完整的水動力普適性類家族，從正常擴散到異常超擴散，由Lévy flights描述。提取了水動力理論的輸運系數，反映了系統的微觀性質。這一實驗觀察證明了工程量子系統提供量子物質非平衡態的普遍性質的關鍵見解的潛力。
本文要點
1. 通過實驗探索了一個遠程量子磁體的動力學，在一個由51個單獨控制的離子的量子模擬器中實現。開發了一個協議來測量在工程無限溫度狀態下空間和時間分辨的自旋相關性，使之能夠在實驗中建立流體力學出現在非平衡量子狀態。
2. 通過調整相互作用的長程性質，作者們觀察到從正常擴散到異常超擴散的整個流體動力學普適性類家族。
圖1. 遠程量子磁體中的涌現流體力學
展望與意義
具有局域控制的大型相干量子系統為非平衡量子態的基本性質提供了關鍵的見解。在本實驗中，作者測量了強相互作用自旋鏈在無限溫度狀態下的涌現宏觀流體力學——眾所周知，要用可控的解析或數值計算來描述這種狀態是非常困難的。通過測量水動力尺度函數的整個時空剖面，利用實驗建立了一個可調的輸運家族，范圍從常規擴散到異常超擴散。本研究在用于研究動態相圖的通用性，以及用于其他具有長程相互作用的模型，以保持總磁化強度或電荷方面具有良好的前景
文獻信息：
M. K. Joshi et al. Observing emergent hydrodynamics in a long-range quantum magnet. Science 376, 720–724 (2022).
DOI:10.1126/science.abk2400
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk2400
