近年来，物理学家一直试图更好地理解量子信息如何在相互作用的粒子系统中传播——这种现象通常被称为“加扰”。封闭系统(只能在系统内以自由度交换能量的物理系统)中的扰乱是混沌多体量子动力学的一个特征。

在可以与周围环境交换能量和物质的开放系统中，扰乱受到各种其他因素的影响，包括噪声和错误。虽然这些额外影响的影响已有充分记录，例如导致退相干，但它们如何影响扰乱仍然知之甚少。

来自加州大学伯克利分校(UCBerkeley)和哈佛大学的两名研究人员最近推出了一个新框架，发表在《物理评论快报》上，该框架为开放量子系统中信息置乱如何发生提供了普遍的图景。他们的框架提供了一个关于如何理解和模拟开放量子系统中错误传播的特别简单的观点，并且可能已经有助于解释磁共振实验中收集到的一些先前令人费解的观察结果。

进行这项研究的研究人员之一托马斯·舒斯特(ThomasSchuster)告诉Phys.org：“诺姆和我之前曾一起参与过几个专注于量子信息扰乱的项目。”

“我们的一些工作侧重于如何测量加扰，其他工作则关注加扰可能有什么用途。在所有这些项目中，一个自然的问题不断出现：加扰如何被错误修改(即“开放系统”)动力学)在现实生活中的实验中不可避免地会发生吗?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。”

在探索这个问题时，舒斯特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，误差会扰动系统，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性必定与信息的置乱方式有关。基于这个最初的想法，我们努力使错误和置乱之间的联系变得精确，并分析其对物理系统和感兴趣的实验的影响。”

舒斯特和姚最近研究背后的关键思想是，开放系统中的信息置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“算子规模分布”，即算子在时间演化下的复杂性的表征。

“算子规模分布的动态决定了错误如何以精确的方式传播，”舒斯特解释道。“在最简单的层面上，这采用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错误如何传播的敏锐预测。”

虽然之前的一些研究已经暗示了这种联系，但到目前为止还没有人清楚而准确地阐述它。在这样做的过程中，舒斯特尔和姚发现错误和混乱之间的相互作用比之前预期的更加微妙。

“我们工作的另一个新结果是，错误也会改变信息扰乱本身的行为，”舒斯特说。“这导致了错误和置乱之间有趣的相互作用，如上面提到的方程所描述的。这种相互作用的结果取决于动力学本身的性质，除了预测各种属性之外，还可以用作这些动力学的内在表征实验”。

在某些涉及所谓“遍历”多体动力学的实验中，出现了应用舒斯特和姚框架的特别富有成果的环境。这可以在未来的工作中进行和验证。

“在完成结果时，我们发现一个令人惊喜的发现，我们的框架也适用于一大类实验——称为‘洛施密特回波’——核磁共振(NMR)和量子混沌社区对此很感兴趣几十年来，”舒斯特尔说。“洛施密特回声是热力学领域一项长期的思想实验，其历史可以追溯到约瑟夫·洛施密特(JosefLoschmidt)和1800年代热力学的基础。”

尽管围绕洛施密特回波的实验方法不断改进，无论是在量子模拟实验还是固态磁共振研究中，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、指数函数或S型函数)拟合到他们的数据中，但从未解释过为什么特定实验遵循一种函数形式而不是另一种函数形式，”舒斯特说。“在2000年代初，研究人员发现了一个如何描述少体量子系统中洛施密特回波的框架;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能会为此提供答案问题。”

除了揭示错误在开放多体量子系统中如何传播之外，最近的工作还表明，来自洛施密特回波实验的数据可能包含比最初看到的更多信息。

“误差和算子大小分布动态的相互作用决定了洛施密特回波的函数形式，”舒斯特说。“我们相信，我们可以进行数值研究的玩具模型就是这种情况，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。有几个有迹象强烈表明确实如此，我觉得这非常令人兴奋。”

展望未来，舒斯特和姚有兴趣将他们的新框架应用于各种其他实验。他们还计划探索其结果对开放量子系统经典模拟的影响。

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够深入了解可以从它们中利用多少量子优势。”“另一方面，我们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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