Coherence controls the visibility of frozen disorder in an open quantum chain
本文表明，在具有冻结无序的开放量子链中，由无序诱导的局域化可见度受相干性控制，其中退相干的消失揭示了一个在大尺度上呈现样本依赖性的扩散机制，该机制不同于在波包尺度上观察到的具有特征性可积对数峰值的样本无关高斯行为。
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在量子物理学的微观世界中，粒子的运动并非像弹珠在地面上滚动那样简单。相反，它们以概率波的形式存在，在移动过程中不断扩散并产生自我干涉。这种被称为“相干性”的波粒二象性，使得粒子能够同时探索多条路径。然而，现实世界很少是完美的。材料中存在杂质，能级也会发生波动，从而创造出一种“冻结无序”的景观——这是一种不随时间变化的静态、随机的障碍物排列。当量子粒子遇到这种冻结的混沌时，其波动特性可能会受到干扰。有时，无序会将粒子困在某处，这种现象被称为“局域化”。另一些时候，噪声或“去相位”会扰乱波的精细相位，这种现象实际上可以帮助粒子通过打破束缚来移动。科学家们长期以来一直在研究无序与噪声这两股力量如何竞争，以决定粒子是停滞不动还是扩散开来。一个关键问题仍然悬而未决：如果一个粒子的位置呈现出平滑的随机分布，这是否意味着冻结无序已经变得无关紧要，还是说其隐藏的影响仍在以我们尚未察觉的方式塑造着它的旅程？
天津师范大学的研究人员通过研究一种特定的、具有共振特性的量子链，现在回答了这个问题。他们构建了一个理论模型，在该模型中，粒子在基态位置与会衰减回原链的辅助态之间跳跃。至关重要的是，在每次衰减后返回左侧或右侧的概率对于每个特定的设置而言是固定且随机的，这为每一次实验都创造了一个独特的、冻结的景观。研究团队系统地降低了去相位程度，有效地调低了通常会扰乱粒子波动特性的噪声，同时保持了无序强度不变。他们观察到，答案完全取决于观察的尺度。在单个相干波包的尺度上——即粒子在环境显著破坏其波动特性之前所移动的距离——冻结无序似乎消失了。对于几乎所有随机的障碍物排列，粒子的位置分布都会趋于完全相同的平滑钟形曲线。看起来就像无序完全没有影响一样。
然而，这种表象上的不可见性是由观察尺度造成的错觉。当研究人员观察更长的距离和更长的时间时，冻结无序的隐藏影响便重新显现。在长尺度上，粒子的行为不再对每一个随机设置都保持一致。相反，位置分布依然依赖于特定障碍物的冻结排列，表现得就像粒子正在通过一个随机的、起伏不平的势能景观进行扩散。研究人员发现，区分这两种机制的关键在于比较从同一冻结环境中进行的独立测量。通过在完全相同的无序环境下进行两次独立的实验并比较结果，他们可以测量统计学上的“协方差”。他们的模拟显示，随着去相位率的降低，波包尺度上的协方差趋向于零，证实了在那里的无序确实是无关紧要的。相比之下，长尺度上的协方差在统计上依然显著，证明了冻结无序仍在主宰粒子的命运。
这项研究进一步揭示，相干运动的本质创造了一种简单的经典模型无法复制的独特特征。当研究人员将他们的量子链与一个匹配相同基本扩散速度和无序强度的更简单的、无记忆的模型进行比较时，他们发现系统对局部变化的响应存在明显差异。在量子链中，起始点附近的微小扰动会产生一个更尖锐的对数峰值响应，而经典模型则保持平滑且有限。这种差异源于量子粒子不仅仅是从一个位点跳跃到另一个位点；它在相干片段中旅行，其中停留的时间与覆盖的距离是相互关联的，且测量往往捕捉到一个仍处于扩散状态的“未完成”波包。这些相关性，结合粒子与辅助态相互作用的特定方式，使得量子系统能够保留对无序的记忆，而简单的随机游走则会丢失这种记忆。
最终，这项工作表明，相干性是控制冻结无序可见性的“控制旋钮”。通过降低去相位率，研究人员将每个局部偏差的影响扩散到了更广阔的区域，从而在波包尺度上有效地平滑了无序。然而，这种平滑并非绝对；无序的指纹仍然被刻印在系统的长期行为之中。研究结果阐明，高斯分布（或钟形曲线）的位置分布并不自动意味着无序已经变得无关紧要。它可能仅仅意味着观察者观察的尺度不对。该研究提供了一种精确的方法，用以区分一个系统是无序真正消失了，还是仅仅被隐藏起来了，等待着通过观察更远、等待更久来被揭示。这种区分对于理解现实材料中的量子输运过程至关重要，因为在这些材料中，波相干性与静态缺陷之间的相互作用决定了能量和信息的流动方式。
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