不照物理定律？「叛逆」量子系統拒絕升溫

奧地利因斯布魯克大學研究團隊透過超冷原子實驗發現，量子系統在強烈外部驅動下，能量吸收不一定會持續升溫，而可在一段時間後停止並維持穩定。這項顛覆傳統認知的研究成果，已刊登於國際期刊 《Science》。

量子開始不再照著「物理定律」

想像一下我們日常使用手機的情況，只要玩遊戲或觀看影片時間一長，處理器就會開始發熱，甚至越來越燙。這是因為系統在持續運作時不斷吸收能量，最終轉化為熱能。在量子物理中，類似的過程被稱為「熱化」（Thermalisation 或 Thermalization)，過去也普遍被認為是受驅動量子系統幾乎無法避免的結果。

然而，這次的實驗卻觀察到不同情況。研究人員發現，原子在實驗初期確實會吸收能量，但隨後動量分布停止擴散，系統動能趨於固定，彷彿被鎖定在某個狀態中，不再繼續升溫。這種反直覺的行為，被稱為「Many-Body Dynamical Localization，MBDL」。

實際中發生了什麼？

在實驗中，研究團隊先利用雷射光形成一個週期性的光學晶格，並持續以固定節奏對其中的超冷原子施加外部驅動。實驗一開始，系統的反應完全一切正常。原子迅速吸收能量，動量分布擴散，整體狀態出現等效「升溫」的現象。

有趣的是，隨著時間推進，這種變化並沒有持續下去。原子的動量分布在短時間後停止擴散，系統動能也不再上升。即使外部驅動仍然持續進行，系統卻彷彿進入一種被「鎖住」的穩定狀態，呈現出「先升溫、後停止升溫」的反直覺行為。

一旦加入不確定性，會發生什麼事？

為了測試這種狀態是否穩定，研究團隊刻意在外部驅動的節奏中加入少量外部因子，使驅動不再完全規律。結果顯示，只要驅動節奏出現些微混亂，原本被抑制的能量吸收立刻恢復，動量分布重新開始擴散，系統再次進入持續升溫的狀態。

這個結果顯示， MBDL 並非自然就會長期存在，而是高度仰賴「量子相干性」（Ｑuantum Coherence）。一旦這種相干性被破壞，系統便會迅速回到一般會熱化、會升溫的行為。

對於量子的幫助有何？

這項研究對量子技術發展具有重要意義。現階段的量子電腦、量子模擬器與各類量子裝置，最大的工程挑戰之一，就是在運作過程中容易因能量累積而升溫，進而破壞量子態的穩定性，導致去同調與錯誤增加。

研究結果顯示，在特定條件下，量子系統本身可以透過量子相干性與多體糾纏，主動抑制能量持續吸收。雖然這並不代表量子裝置可以擺脫低溫環境，但若未來能將這類「不易熱化」的物理機制納入量子系統設計，有助於降低運作時的自發升溫速度，延長可穩定運行的時間，對實用化量子產品而言將是一大助力。

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（首圖來源：pixabay）