近日，上海交通大学陈淳课题组与浙江大学王孝群教授和复旦大学陈焱教授合作，通过比较研究了四类强相互作用极限下的受限量子模型，率先从理论上预言了不可积里德堡阻塞量子模拟器中可能存在能量的反常有限温量子输运现象。相关研究成果近期以“Superdiffusive to ballistic transport in nonintegrable Rydberg simulator”为题发表在了npj Quantum Information期刊上。
非平衡量子多体物理是当今物理学发展的一大重要方向。在基础原理方面，该领域交叉融合了凝聚态、冷原子、统计物理、量子信息、量子计算与模拟等多学科的学术特点，对相互作用多体系统何时、以何种方式达到热力学平衡，又在何种条件下始终无法达成平衡状态等一系列涉及量子热化、多体局域化以及两者之间的过渡或转变的基本科学问题进行探索。在实际应用方面，随着实验技术的发展，更高的时间精度和空间分辨一方面使得对于这些基本理论问题的实验探索变得可行；另一方面，对于相关基本物理运动规律的揭示与认知也提供了进一步优化提升实验技术的可能性和方向性。
除了对称性、时空维度以外，另一个对于封闭量子体系有重要影响的物理量是能量尺度。例如，在低温强关联系统中，新奇物态的探测温度往往远低于哈密顿量的能量尺度，所以体系的基态和其邻近的低能激发将起到主导作用。与之形成对比的是，在非平衡量子多体物理中，研究者们往往并不关心个别量子态的性质，而是更着眼于整个希尔伯特空间所有量子态的集体行为模式，这往往可以通过将温度设为无穷大，从而研究体系的量子多体动力学来实现。最近，这一领域的一个重要进展是理论首先预言，进而实验验证并发现了一维海森堡模型的高温自旋输运属于著名的Kardar-Parisi-Zhang动力学普适类。（Giorgio Parisi因在自旋玻璃和KPZ等方面的理论工作获得了2021年诺贝尔物理学奖。）
一个有趣的问题是，如果哈密顿量中粒子间的相互作用强度远大于温度，而温度又远大于哈密顿量中粒子的动能项和势能项时，体系守恒量的有限温量子输运性质会如何变化？是否预示着新的、未知的动力学普适类？值得注意的是，以上这一问题所涉及的强相互作用极限已经能够在新近的里德堡阻塞量子模拟实验平台上等效实现了。
在最新发表的这项工作中，我们通过细致的比较研究，从静态的能级间隙比率和具有能量分辨的量子纠缠熵分布（请参见图一）到动态的高温能量输运（请参见图二），仔细研究了位于阻塞参数区域内里德堡量子模拟器的非平衡动力学过程，发现其有限温能量输运并非是通常大家预期的正常高斯扩散，而是具有超扩散乃至弹道输运的特性，且所发现的超扩散行为很可能属于一种新的、之前未被报道过的动力学普适类。这一发现或将激发理论和实验研究者们更深入地探索强相互作用极限下的非平衡量子多体物理，并结合最新的量子模拟和计算实验平台来进一步推动和丰富人们对量子热化和统计物理学基础的认识和理解。
图一：里德堡阻塞量子模拟器的能级间隙比率（level-spacing ratio）。
图二：里德堡阻塞量子模拟器的有限温能量输运。
论文第一作者是上海交通大学物理与天文学院助理教授陈淳，通讯作者为陈淳、王孝群教授和陈焱教授。该工作得到了上海交通大学教师启动资金、阳阳发展基金、MOST2022YFA1402701、国家自然科学基金No. 11974244、the SKP of China Grant No. 2022YFA1404204和国家自然科学基金No. 12274086的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41534-024-00884-z
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