这个物理玩具的一个小版本揭示了量子秘密

加利福尼亚州圣巴巴拉 -一个简单的玩具正在帮助科学家了解神秘量子过程的新细节。

牛顿摇篮中金属球的节奏性咔嗒响声长期以来一直让物理学生们感到高兴。现在，科学家们已经在原子尺度上重新创造了玩具，利用它来探究量子系统如何达到称为热平衡的平衡状态。

在柜台上放一大杯热咖啡，它会逐渐冷却，直到达到热平衡，与房间的温度相匹配。这个过程称为热化，在咖啡杯的规模上得到了很好的理解。但在量子水平上，热化变得模糊不清。

斯坦福大学物理学家Benjamin Lev说：“这是我们从根本上无法理解的物理学领域。”他于6月26日在加州大学圣巴巴拉分校Kavli理论物理研究所量子热力学会议上介绍了这项工作。。Lev说，缺乏对这种基本过程的理解意味着“我们科学家应该进行调查”。因此，他和同事研究了如何将混沌引入量子牛顿的摇篮，为热化铺平了道路。

牛顿的摇篮由悬挂的金属球悬挂在一排。向后拉一个球并让它回落到另一个球上，另一端的球弹出然后向后摆动并重复这个过程。这种有规律的重复运动一直持续到摩擦减慢了球的摆动。

量子版本用一排冷却的激光捕获原子取代了这些球体。Lev及其同事创造了一个由大约700个这样的量子牛顿摇篮组成的阵列，每个摇篮由大约50个元素镝原子组成，并用激光踢它们。

对于量子牛顿摇篮的热化，所有原子必须随机移动 - 类似于一杯咖啡中的摇晃分子 - 而不是常规的来回模式。为了实现这种随机性，Lev及其同事利用了镝原子具有磁性的事实。除了相互碰撞之外，原子还在磁力上相互挤压。这种额外的相互作用引入了扰乱原子运动的混乱(SN Online：9/16/13)。

通过改变原子磁极的方向，Lev及其同事调整了磁相互作用的强度，并研究了系统如何接近平衡。Lev及其同事在5月2日发表在Physical Review X上的一篇论文中报告说，起初，原子迅速向热平衡方向发展，然后转向更慢的进展。

结果对于设计超小型设备(SN：3/19/16，第18页)和量子计算机非常重要，这些设备可以使用量子力学进行有效的计算(SN：7/8/17，第28页)。奥地利技术大学的物理学家JörgSchmiedmayer表示：“如果你想拥有一台量子计算机，它将远离平衡。”他没有参与这项研究。这是因为，在平衡状态下，由于粒子属性的扰乱，信息会丢失。

因此，理解量子系统如何达到平衡是一个快速发展的研究课题。“在20年内......我们对量子系统的热力学有了完全不同的理解，”Schmiedmayer说。

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