量子系統的失敗並不安靜；它們會在瞬間崩潰。在光線穿過一個病毒所需的時間更短的瞬間，一個精心安排的量子狀態可能會解體，失去讓量子技術如此強大的相干性。多年來，這種發生在一至兩飛秒（10 -15 秒）內的超快速崩潰一直是物理學上最頑固的盲點之一。科學家知道這是因為現實世界的影響，但確切的微觀原因仍然難以捉摸。現在，一項新研究終於揭示了這瞬間內發生的情況，提供了一瞥量子理論與現實碰撞的稀有視角，並為使量子技術在實驗室外真正運作鋪平了道路。
研究作者指出：「目前的工作可以從微觀基礎上解釋極快的電子去相干，並應該成為相關電子系統的耗散多體電子動力學的一個里程碑，推進下一代量子技術的發展。」
在這個謎團的核心是一種驚人的現象——高階諧波產生（HHG）。當強烈的光束擊中固體時，會強迫電子進行極端運動，產生高能量光和超快速脈衝。這些信號對於探測材料和構建下一代光學工具非常有價值。然而，幾乎在這個過程開始的瞬間，系統的量子秩序就開始溶解。十多以來，研究人員試圖用簡化模型來解釋這種快速的去相干，這些模型將量子系統視為幾乎孤立的。這種假設使數學變得可處理，但卻靜靜地忽略了一個關鍵的真相——真實的系統從來不是孤立的。它們不斷與周圍環境互動，而這些互動是無法忽略的。
為了解決這個問題，研究作者轉向了一個基於 Lindblad 主方程的更現實的框架。「我們利用 Lindblad 方程結合一維 Hubbard 模型，並研究耗散開放量子系統中 HHG 的電子動力學。」研究作者補充道。與傳統方法不同，這種方法旨在處理開放的量子環境，其中粒子始終與周圍環境交換能量和信息。通過這種方法，研究作者能夠追蹤電子之間的相互作用，以及它們如何在實時中受到環境的影響。
在建立了這個新模型後，團隊聚焦於 HHG 中出現的兩個關鍵效應：超輻射，電子集體發射光，以及寬頻發射，光在廣泛的能量範圍內擴散。這兩個效應之前已經被研究過，但大多是孤立地進行。突破來自於研究人員將它們一起考察的時候。這兩個過程並不是簡單地共存，而是相互干擾。它們重疊的信號產生了微妙的抵消效應——就像波浪不同步地撞擊，迅速抹去系統的量子相干性。「寬頻發射和 Dicke 超輻射在事實上是或多或少重疊的，其中輻射的兩條路徑可能會以破壞性的方式嚴重干擾彼此。」研究作者表示。
這揭示了量子秩序的喪失不僅僅是被動的衰退，而是一個由競爭性相互作用驅動的主動過程，這一過程被系統與其環境的連接所放大。因此，環境互動不僅是不可避免的——它們根本上塑造了量子系統的行為。然而，這項研究的一個重大限制是其發現來自於先進的模擬，現實世界的材料可能會引入額外的複雜性。下一步將涉及對這些想法進行實驗測試，並將框架擴展到更實際的系統。該研究發表在《Advanced Science》期刊上。
