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原创丨百年孤寂（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

在处于平衡状态的量子多体系统中，普适性的概念断言，微观细节并不影响物质的涌现量子相及其跃迁的性质。相反，对称性和拓扑结构决定了基本的宏观性质。相比之下，所有的尺度，从低能到高能，都是与远离热平衡的量子系统先验相关的。工程相干和相互作用量子系统的最新实验进展使创造和探索奇异的非平衡态成为可能，这些非平衡态可以展示非常规的弛豫动力学、动力学相以及它们之间的过渡。确定非平衡量子态的普遍性质是现代物理学的一个主要挑战。一个有趣的预测是，经典流体力学普遍出现在任何相互作用的量子系统的演化中。

有鉴于此，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所Roos团队通过实验探测了51个单独控制离子的量子动力学，实现了一个远程相互作用的自旋链。通过测量无限温度状态下的时空分辨相关函数，观察到一个完整的水动力普适性类家族，从正常扩散到异常超扩散，由Lévy flights描述。提取了水动力理论的输运系数，反映了系统的微观性质。这一实验观察证明了工程量子系统提供量子物质非平衡态的普遍性质的关键见解的潜力。

本文要点

1. 通过实验探索了一个远程量子磁体的动力学，在一个由51个单独控制的离子的量子模拟器中实现。开发了一个协议来测量在工程无限温度状态下空间和时间分辨的自旋相关性，使之能够在实验中建立流体力学出现在非平衡量子状态。

2. 通过调整相互作用的长程性质，作者们观察到从正常扩散到异常超扩散的整个流体动力学普适性类家族。

图1. 远程量子磁体中的涌现流体力学

展望与意义

具有局域控制的大型相干量子系统为非平衡量子态的基本性质提供了关键的见解。在本实验中，作者测量了强相互作用自旋链在无限温度状态下的涌现宏观流体力学——众所周知，要用可控的解析或数值计算来描述这种状态是非常困难的。通过测量水动力尺度函数的整个时空剖面，利用实验建立了一个可调的输运家族，范围从常规扩散到异常超扩散。本研究在用于研究动态相图的通用性，以及用于其他具有长程相互作用的模型，以保持总磁化强度或电荷方面具有良好的前景

文献信息：

M. K. Joshi et al. Observing emergent hydrodynamics in a long-range quantum magnet. Science 376, 720–724 (2022).

DOI:10.1126/science.abk2400

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abk2400