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理解非平衡多体系统的集体量子动力学是量子科学的重大挑战。研究人员利用基于里德堡原子阵列的可编程量子模拟器，研究 (2 + 1) 维伊辛量子相变中的集体动力学，观察到量子粗化等现象，为相关研究提供新视角。
在量子科学的神秘领域中，理解非平衡多体系统的集体量子动力学，就像解开一道极其复杂的谜题，一直是科学家们面临的巨大挑战。量子涨落驱动的动力学在奇异量子相形成、高能物理过程、量子计量和量子算法等诸多重要领域，都扮演着不可或缺的角色。然而，尽管经典相变附近的动力学已被深入研究，但量子相变（Quantum Phase Transitions，QPTs）过程中的量子动力学，由于研究难度大，一直难以被实验触及。直到近年来，随着量子模拟器的出现和固态系统中超快光谱方法的发展，对量子相变动力学的实验研究才成为可能。在此背景下，来自哈佛大学、普林斯顿大学等多个研究机构的研究人员，开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Nature》杂志上。
研究人员为了深入探索量子相变过程中的集体动力学，使用了基于里德堡原子阵列的可编程量子模拟器。这种模拟器就像是一个微观世界的 “魔法盒子”，能够帮助研究人员操控和观察量子世界的奥秘。研究人员通过这个模拟器，对 (2 + 1) 维伊辛量子相变中的集体动力学展开研究。
在研究过程中，研究人员发现了一系列有趣且重要的现象。首先，在跨越量子临界点后，他们观察到反铁磁有序畴的粗化，使得相关性逐渐增强。通过确定性地制备和跟踪有序畴的演化，发现粗化是由畴壁的曲率驱动的，并且随着接近量子临界点，动力学加速。其次，研究人员还观察到了有序参数的长寿命振荡，这对应于一种振幅（“希格斯”）模式（‘Higgs’ mode）。这些发现为强关联量子系统中的集体动力学和非平衡量子过程，提供了全新的视角。
研究人员为开展此项研究，主要运用了以下几个关键技术方法：一是使用基于里德堡原子阵列的可编程量子模拟器，该模拟器能够实现对原子的精确控制和状态制备；二是采用单站点分辨检测技术，用于识别每个快照中的畴；三是运用数值模拟方法，如矩阵乘积态（MPS）方法，对实验现象进行理论分析和验证。
下面详细介绍研究结果：
- 有序动力学（Ordering dynamics）：研究人员首先研究了原子阵列跨越量子相变点进入有序相后的非平衡动力学。通过特定的实验方案，他们观察到随着时间推移，系统中形成了越来越大的畴，同时第二大畴的面积减小。此外，还发现相关长度的长寿命振荡。这些现象表明，系统在有序化过程中存在着复杂的动力学行为。
- 畴壁动力学（Domain-wall dynamics）：为了研究畴和畴壁的实时动力学，研究人员通过可编程的局部控制光移，确定性地制备了特定的畴壁配置。实验发现，注入的畴面积随时间线性缩小，且畴壁速度与曲率相关，越接近量子临界点，速度越快。这一结果揭示了粗化动力学受曲率驱动的本质。
- 序参量和 “希格斯” 振荡（Order parameter and ‘Higgs’ oscillations）：实验清晰地揭示了相关长度和序参量的持续长寿命振荡。通过对不同实验参数下的振荡进行研究，发现振荡频率、振幅和阻尼等参数与系统的状态密切相关。在有序相中，这些振荡可被理解为 “希格斯” 模式，为研究量子临界现象提供了重要线索。
研究结论和讨论部分指出，该研究揭示了封闭非平衡量子多体系统中典型的集体过程，突出了粗化动力学的重要作用，并揭示了其在非守恒序参量系统中由曲率驱动的特性。同时，研究还发现接近相变时有序过程的加速，这是动力学本质上量子特性的标志。然而，研究中也发现一些与理论预期不符的现象，如结构因子的动态变化幅度偏离预期的普遍行为，这可能源于有限尺寸效应等因素。此外，研究还观察到 “希格斯” 模式的激发，为研究量子临界现象提供了新的视角。未来，研究可以沿着多个方向扩展，如探索非平衡玻色气体中的量子临界性和 “希格斯” 模式，研究粗化动力学在拓扑有序态形成中的作用等。
这项研究成果意义重大，它不仅为理解强关联量子系统中的集体动力学和非平衡量子过程提供了关键信息，还为未来的量子科学研究开辟了新的方向。通过对量子相变过程中各种现象的深入研究，有望推动量子技术在更多领域的应用和发展。
