最早的量子模拟器之一展示了一种神秘的现象：一系列定期返回有序状态的原子。 赛车物理学家试图解释正在发生的事情。
融化的冰淇淋不会自然冻结。 但是，其中一个量子模拟器在系统达到平衡后会不断返回有序状态。时间会流逝，即使在最整洁的房间里也会杂乱无章。 衣物，书籍和纸张将保持秩序，散落在地板上。 而且，令人讨厌的是，这种趋向无序的趋势反映了自然规律：无序趋于增长。
例如，如果您在有压力的情况下打开潜水员的气球，气球中的空气分子将飞出并散布在房间周围。 将冰块放在热水中，冻结在有序晶格中的水分子将破坏其键并分散。 当混合并分布时，系统趋于与环境保持平衡，这称为热化。
这是物理学家所期望的一种常见且直观的效果，即连续排列51个atoms原子并用激光将其固定在适当的位置。 原子以有序结构开始，并在能量最小的“基态”和激发态之间切换。 研究人员认为，该系统会很快变得热化：基态和激发态的交替将以某种随机序列的形式几乎立即平静下来。
起初，序列确实变得混乱。 但是后来，令科学家惊讶的是，他们回到了原来的交替顺序。 进一步混合后，原子返回其原始配置。 这些状态以每微秒几次的频率来回交替-在必须对系统进行热化之后很长时间。
哈佛大学的物理学家，科学家小组的负责人
米哈伊尔·卢金 （
Mikhail Lukin）说，这一切似乎都像是将一个冰块放入热水中，而不仅仅是融化了。 他说：“我们看到冰融化，然后结晶，然后融化，再结晶。” “这很不寻常。”
物理学家称这种奇怪的行为为“多粒子量子疤痕形成”。 显然，原子具有过去的烙印，就像某种伤痕一样，这使它们一次又一次地恢复到原始配置。
自从《自然》杂志
发表这项工作以来的16个月中，几组物理学家试图了解这些量子疤痕的本质。 一些人认为，这一发现可能开辟了量子粒子相互作用和行为的新类别，否认了物理学家的假设，即这种系统无可避免地朝着热化方向发展。 此外，疤痕效应可能导致长期存储的新型量子位的产生，这是未来量子计算机的关键要素。
克服零概率
实际上，物理学家在构建一个51个原子的系统时，就想到了量子计算。 该系统被认为是量子模拟器，该机器设计用于模拟量子过程，而经典计算机无法通过其他方法对其进行研究。 曾经，这个系统是所有系统中最大的量子模拟器。
哈佛机器的原子充当量子位，其基本或激发态被称为
里德堡态。 研究人员可以通过例如改变原子之间相互作用的强度来调整系统。
研究人员已经准备了原子的基态和激发态的几个初始序列。 由于原子之间会主动相互作用，因此必须进行热化。 但是，这种量子系统中的原子并没有像气体中的分子那样相互作用，而是产生了一种深量子键，称为纠缠。 卢金说：“然后混乱就蔓延开了。” “这就是热化的过程。”
米哈伊尔·卢金（Mikhail Lukin）通常，模拟器的复杂性会增加。 但是，当研究人员启动实验时，将原子按激发态和基态交替排列，粒子首先纠缠在一起，然后迷失了，从原始结构来回振荡。
在不可能的边缘，这种行为似乎不太可能。 原子开始相互作用之后，应该很快忘记它们的交替序列，因为原子会进入大量可能的激发态和基态序列。 这类似于带有圆柱体的示例，圆柱体中的空气分子离开原始配置并在房间内传播。 对于它们的分布，有很多地方，因此它们全部不小心被挤回容器的可能性几乎为零。
英格兰利兹大学的物理学家
兹拉特科·帕皮奇 （
Zlatko Papich）说：“量子系统可能以许多可能的状态存在，以至于很难回到原始状态。”
但是，卢金说，这就是他们所观察到的。 Papich说，该系统具有某种特殊的物理特性，可以沿自己的路径返回。 “她留下了面包屑的痕迹，然后返回到路径的起点。”
卢金说：“这是量子机器首次发现的真正发现。”
卢金和他的同事开始描述该实验，但是在发表该作品之前，卢金在2017年7月在意大利的里雅斯特的一次会议上对其进行了描述。“我们不知道如何理解这一点，”当天在场的帕皮奇说。 “我认为在座的任何人都没有想法来解释其原因。”
球场上的伤痕
然而，很快，Papich及其同事意识到这种行为类似于大约30年前发现的现象。 在1980年代，哈佛大学的物理学家
Eric Geller研究了量子混沌：如果将量子力学应用于混沌系统会发生什么？ 特别是，盖勒（Geller）检查了“
Bunimovich Stadium ”（一个带有圆角的矩形桌子）内球的反弹情况。 系统混乱； 在足够长的时间内，球将沿着
体育场内所有可能的轨迹通过。 但是，如果您以某个角度发射球，它将永远沿着相同的路径前进。
在一次思想实验中，盖勒用量子粒子代替了球。 帕皮奇说：“天真的期望是，如果我们的经典系统已经是混沌的，那么在添加了量子力学的规则之后，我们可以期待甚至更多的混沌行为。” 当波在池塘中传播时，必须在体育场周围涂抹粒子的波函数（一种具有量子性质的抽象数学软件包）。 在体育场的特定位置发现粒子的概率应等于其所有点。
放在Bunimovich体育场上的粒子可能会显示出疤痕，轨迹，而其被发现的可能性很高但是，盖勒发现波动函数并没有均匀地传播，而是在重复经典示例轨迹的路径上累积，球不断地沿该轨迹运动。 好像波产生了这个特定轨迹的记忆。 盖勒说：“这就像海浪的归宿。” “他们想回到自己的出生地。” 如此简单。”
在此轨迹上，粒子波函数会对其自身进行相长干涉，从而将峰添加到峰中，并将谷值添加到谷值。 结果，该粒子最有可能在沿途某个位置。 在图中，概率分布类似于经典周期轨迹的模糊版本。 盖勒说：“它们对我来说就像是伤痕。” 因此，他
在 1984年的
工作中就这样称呼他们。
帕皮奇认为，也许由51个原子的系统返回其原始结构这一事实可以解释类似的现象。 也许她也想念房子。
疤痕留切口
为了找出答案，Papich及其同事
分析了51原子系统模型
的量子态。 他们发现她奇怪的振荡行为确实类似于盖勒的量子疤痕。 他们确定了类似于那些与疤痕轨迹相对应的特殊情况的条件。 通过定期返回到这些状态，系统可以避免热化。 与量子疤痕形成的联系足够牢固，以至于他们在去年发表于《自然物理学》杂志上的论文中称这种现象为“多粒子量子疤痕”。
尽管帕皮奇（Papich）的分析引起了最初的怀疑，但卢金（Lukin）以及哈佛物理学家何文玮（
Wen Wei Ho）等人在1月发表的
一篇论文中与量子疤痕形成了更牢固的联系。 他们确定了将51原子系统的状态描述为抽象空间中一个点的经典方法。 随着系统状态的变化，点在空间中移动。 研究人员发现，当系统经历其自身的奇怪振动时，该点像球一样在球场台球台上的特殊周期性轨迹上来回摆动。
研究人员在其中创建了量子模拟器的实验装置研究人员找到了一个经典的类比，强调了一种主张，即单个Heller粒子的现象适用于多粒子系统。 “这些人显然发现了一些东西，”盖勒说。 “绝对。”
一件事很清楚-这个实验引起了世界各地研究人员的兴趣。 加州理工学院的一组研究人员
确定了51原子系统某些特殊状态的数学表达式。 普林斯顿大学的另一位学者
建议 ，疤痕可能是可应用于凝聚态物理各个领域的更普遍现象的一部分。 何说：“我们认为我们似乎了解该系统正在发生的事情。” “但是，我们仍然没有一种通用的方法来寻找其他轨迹-疤痕。”
还有更深层次的问题。 哈佛物理学家
韦迪卡·凯马尼 （
Vedika Kemani）说：“疤痕是对问题的有用描述。” “但是我认为我们对导致它们出现的原因没有真正的了解。”
随机结构
尽管存在所有这些未知数，物理学家还是非常感兴趣多粒子疤痕形成，因为它可以代表一类新的量子系统。
在过去的几年中，物理学家研究了另一类类似的多粒子定位技术，其中随机缺陷阻止了系统的热化。 打个比方，想象一群牛在平坦的田野上行走。 母牛最终不得不散布在不同的地方-我们称其为母牛热化。 但是，如果随机的山丘在田野上相遇，母牛将最终陷入低地。
同样，多粒子量子疤痕系统也不是试图热化的混沌系统。 但是那里也没有山丘。 Papich说：“这项工作说明了介于两者之间某处的新型系统的存在。”
为了解释疤痕形成的影响，凯马尼（Kemani）的一项新分析表明，51原子系统可以是
可积分系统 （或接近一个）。 这是系统的特殊隔离情况，具有许多限制和功能，可以对其进行调整以防止其热化。 因此，如果疤痕系统是可整合的，那么它可能会在更广泛的现象中成为独特的案例。
帕皮奇说，物理学家研究可积系统已有几十年了，如果事实证明该系统是可积的，那么这一事实的后果就不会像这个量子系统独特一样令人感兴趣。 Papich，Ho和Lukin写了
一篇论文，反对这种可能性。
但是，不管疤痕形成是否是一类新的量子行为，这一发现都表明了改进量子计算机的诱人可能性。 创建量子计算机的问题之一是需要保护其脆弱的量子位。 任何干扰或来自环境的干扰都可能导致量子位温度升高并擦除其中存储的所有信息，这将使计算机无用。 Ho说：“如果我们找到一种将疤痕引入其他系统的通用方法，那么我们也许能够长期保护量子信息。”
然后，疤痕形成会为计算机提供一种保存存储的数据的方式，从而防止过去的数据被擦除。
“有一些美丽的结构，以某种方式保留在完全随机的环境中，” Papich说。 -什么物理学可以使这个过程起作用？ “这是一个涉及多个领域的深刻而多方面的问题，这种影响是其体现之一。”