[论文解读] Active Quantum Particles from Engineered Dissipation

Jeanne Gipouloux, Matteo Brunelli+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2026

Advanced Thermodynamics and Statistical Mechanics被引用 0

一句话总结

本文介绍通过工程化耗散驱动的最小量子主动粒子模型，揭示扩散-主动扩散的跨越以及边界敏感的动力学（李奥ville 皮肤效应）。

ABSTRACT

We introduce and characterize different models for an active quantum particle where activity arises from engineered dissipation-- specifically, from a suitably coupled nonequilibrium environment. These include a model of a particle moving on a lattice with coherent and dissipative hopping, as well as quantum generalizations of well-studied models of active behavior, such as the active Ornstein-Uhlenbeck process, run-and-tumble dynamics, and the active Brownian particle. Despite the different microscopic mechanisms at play, we show that all these models display key features of active motion. Notably, we observe a crossover from diffusive to active-diffusive behavior at long times, leading to an effective Péclet number, as well as a strong sensitivity to boundary conditions which, in our open quantum system context, arises from the Liouville skin effect. We discuss the role of quantum fluctuations and experimental realizations with superconducting circuits or cold gases, closing with perspectives for many-body effects in quantum active matter.

研究动机与目标

• 激发并定义当活动来自于耦合于非平衡环境时的最小量子模型。
• 表征量子系统中相干与耗散过程如何产生类似主动的运动。
• 识别活动的标志，如均方位移的跨越和边界敏感性。
• 提出这些量子主动粒子在实验平台上的实现途径。
• 讨论对量子主动物质及潜在多体扩展的影响。

提出的方法

• 在格点上建模环境辅助跳跃，包含相干跳跃速率 J 和耗散速率 Γ_L、Γ_R，通过 Lindblad 主方程进行分析。
• 推导有效扩散系数 D(J, Γ_+) 并展示扩散、弹道运动，随后进入主动-扩散区域。
• 通过将粒子耦合到有色噪声环境并在半经典极限下映射到 AOUP，引入量子 AOUP (qAOUP)。
• 在有限温度和零温度下分析 qAOUP，以获得 Δ^2(t) 和有效温度 T_eff(ω)。
• 通过将运动耦合到耗散控制的内部两能级系统，给出量子 RTD/ABP 变体。
• 解析量子轨迹以连接到 ABP（连续监测）和 RTD（量子跳跃）。
• 讨论在超冷原子、超导电路及相关平台中的实验实现。

Figure 1: Sketch of the setup. (a) A quantum particle moves in presence of coherent and environment-induced hoppings, with rates $J$ and $\Gamma_{L,R}$ . (b) A dissipative quantum particle in a noisy force with finite persistence time. (c) A dissipative quantum particle coupled to a two-level system

实验结果

研究问题

• RQ1 在没有经典驱动的情况下，是否可通过工程化耗散获得主动样的量子运动？
• RQ2 在不同微观机制下，量子活动的动力学标志（如均方位移、扩散增强）是什么？
• RQ3 边界条件和李沃尼皮肤效应如何影响量子主动粒子的输运？
• RQ4 在当前量子平台中，这些量子主动粒子模型如何实现？
• RQ5 多体量子主动物质与运动引发现象的前景如何？

主要发现

• 单个量子粒子在具有相干和耗散跳跃时，表现出从扩散-到弹道再到主动-扩散的跨越，扩散系数为 D(J, Γ_+) = (Γ_+ / 2) (1 + 4J^2 / Γ_+^2)。
• 在非对称耗散下，稳态密度呈现边缘局域化，长度 ξ ≈ D(J, Γ_+) / Γ_-（李奥利皮肤效应）。
• 量子 AOUP (qAOUP) 在半经典极限映射到 AOUP；在有限温度下，活性增加扩散并产生弹道跨越；在零温度下，量子噪声导致对数级短时增长并转变为主动扩散。
• qRTD/qABP 模型给出扩散增强 D = (Γ_d / 2) (1 + 2λ^2 /(Γ_d Γ_+)) 和速度项 v ~ λ Γ_- / Γ_+，由内部自由度引起；Péclet 数 Pe ~ √2 λ / √(Γ_d Γ_+)。
• 量子轨迹揭示了 ABP 式的连续监测和 RTD 式的跃迁动力学，将其与经典主动物质框架联系起来。

Figure 2: Environment-assisted hopping model. (a) Variance of the particle position for $J/\Gamma_{+}=4$ and $\Gamma_{-}=0$ displaying a crossover from diffusive to ballistic to active-diffusive behavior, the latter regime with enhanced diffusion coefficient $D(J,\Gamma_{+})$ . The two crossover tim