路德维希马克西米利安大学、马克斯普朗克量子光学研究所、慕尼黑量子科学与技术中心 (MCQST) 和马萨诸塞大学的研究人员最近开展了一项研究，研究大型量子系统中的平衡波动。他们的论文发表在《自然物理学》杂志上，概述了使用量子气体显微镜进行的大规模量子模拟的结果，量子气体显微镜是一种用于对超冷原子气体中的单个原子进行成像和纵的实验工具。

“想象一下，你在一个盒子里有大量粒子，你想预测这个系统将来会如何发展，”论文合著者朱利安·维南德告诉 Phys.org。“你知道这些粒子的物理性质以及它们如何相互作用。所以，原则上，你可以建立一个模拟，输出每个粒子的运动。然而，在实践中，由于需要跟踪的粒子太多，模拟可能会因计算资源不足而失败。幸运的是，有一种方法可以向前迈进：流体动力学。”

流体动力学理论为量子物理学家提供了模拟大型系统中粒子间相互作用的另一种方法。事实上，如果一个系统是混沌的，研究人员可以假设粒子将以确保局部热平衡状态的方式相互作用。

“这使我们能够得出一个宏观描述，并将粒子描述为遵循简单微分方程的连续密度场，”维南德说。“一般来说，这样的密度场可能会波动，因为微观上它是由快速移动的粒子组成的。由于这些波动是随机的，我们可以将它们视为白噪声，将它们积分到我们的微分方程中，我们就会得到波动流体动力学 (FHD)。

FHD 是经典流体动力学理论的扩展，它也能预测系统中热波动的影响。通过考虑小规模波动，这一扩展的理论框架使物理学家能够有效地描述和计算复杂系统。

总体而言，FHD 理论表明，复杂系统的整个演化取决于几个量，例如所谓的扩散常数。虽然该理论已用于研究各种经典系统，但尚不清楚它是否也适用于混沌量子系统。

“量子系统与经典系统有着根本的不同，因为组成它们的粒子可以表现出纠缠等量子现象，这违背了日常直觉，”维南德说。“它们也更难计算，因此能够使用 FHD 描述它们可以帮助我们更好地理解此类系统并对其进行预测。”