Квантовый фазовый переход во времени: открытая квантовая система теряет память о своем состоянии

Все мы знаем, что вещества могут менять свое состояние при изменении температуры, давления или других внешних параметров. Например, вода может быть жидкой, твердой или газообразной в зависимости от того, нагреваем мы её или охлаждаем. Это называется фазовым переходом, и он имеет много интересных свойств.

Одно из таких свойств — это универсальность. Это означает, что при фазовом переходе некоторые физические величины, такие как плотность, теплоемкость или магнитизм, подчиняются общим законам, которые не зависят от деталей конкретного вещества. Так, например, магниты перестают быть магнитными при определенной температуре, называемой критической, и это происходит одинаково для всех видов магнитов.

Но что, если мы рассмотрим не обычные вещества, а квантовые системы, то есть системы, состоящие из атомов и субатомных частиц, которые подчиняются законам квантовой механики? Квантовая механика — это теория, которая описывает поведение микроскопических объектов, и она сильно отличается от классической физики, которая применима к макроскопическим объектам. Квантовые системы имеют много странных и удивительных свойств, таких как суперпозиция, запутанность, неопределенность и туннельный эффект.

Одним из важных вопросов, которые интересуют физиков, является то, как квантовые системы достигают равновесия, то есть состояния, в котором они больше не меняются со временем. Это важно не только для понимания фундаментальных законов природы, но и для развития квантовых технологий, таких как квантовые компьютеры или квантовые датчики, которые могут решать задачи, недоступные для обычных компьютеров или датчиков.

Однако, достижение равновесия в квантовых системах не такое простое, как в классических системах. Это связано с тем, что квантовые системы обычно не изолированы от своей окружающей среды, а взаимодействуют с ней. Такие системы называются открытыми квантовыми системами, и они подвержены влиянию шума, потери энергии и других факторов, которые могут нарушать их квантовые свойства. Как же открытые квантовые системы расслабляются и приходят к равновесию?

Для ответа на этот вопрос команда исследователей из Германии и Китая провела уникальный эксперимент, в котором они наблюдали за поведением одного цезиевого атома, помещенного в газ из рубидиевых атомов. Цезиевый атом был в определенном квантовом состоянии, а рубидиевые атомы служили в качестве ванны, с которой он взаимодействовал. Оба вида атомов были охлаждены до почти абсолютного нуля, чтобы минимизировать тепловые флуктуации.

Исследователи возбудили цезиевый атом большим количеством энергии и измеряли его энтропию, то есть меру беспорядка в системе, в течение некоторого времени. Они обнаружили, что энтропия сначала увеличивалась, а затем уменьшалась, после достижения максимального значения в определенный момент, называемый критическим временем. Именно в этот момент происходило нечто удивительное: цезиевый атом терял память о своем начальном состоянии и начинал вести себя универсально, то есть так, что его динамика могла быть описана общей формулой и параметром, не зависящими от деталей системы.

Это открытие демонстрирует, что в открытых квантовых системах существует аналог фазовых переходов, но в отличие от классических систем, он происходит во времени, а не в пространстве. Это также помогает понять, как квантовые системы достигают термодинамического равновесия со своей средой, что имеет важное значение для квантовых технологий.