量子混沌：从随机矩阵到开放多体系统

量子混沌是一个非常有趣的领域，它探讨了如何从量子原理中导出经典混沌，也就是系统对初始条件的指数敏感性，通常被称为蝴蝶效应。在量子系统中，我们不能直接观测到轨道的敏感性，因为测量会扰动系统。但是，我们可以通过研究系统的能谱来寻找混沌的特征。能谱是指系统的能级之间的间隔分布，它反映了系统的动力学性质。

在上世纪50年代，Wigner引入了随机矩阵理论来描述重核（如铀）的能谱。他发现，描述这些系统的哈密顿量可以用矩阵来模拟，而矩阵的元素是随机变量。这样，核的谱线分布就可以和矩阵本征值的分布联系起来。后来，Dyson根据数学对称性将这些随机矩阵分成不同的类别。这些对称性可以用来对矩阵施加约束，从而简化了处理复杂系统的能力。随机矩阵已经成为一个令人兴奋的研究领域，它在物理和其他领域都有应用，包括金融和神经科学。它们也有望解决一些与量子混沌相关的重要问题。

在70年代，Bohigas-Giannoni-Schmit猜想将随机矩阵理论和基于哈密顿量的描述联系起来。他们猜想，在经典极限下表现出混沌行为的量子系统，其能谱应该符合随机矩阵理论的预测。这个猜想已经在许多实验中得到了验证，例如原子、分子、原子核和介观系统等。

然而，随机矩阵理论并不适用于所有类型的量子系统。特别是，它只适用于封闭系统，即不与环境交互的孤立系统。然而，在实际中，大多数量子系统都是开放的，即受到环境的影响。环境会导致系统失去纯度和相干性，从而增加了需要考虑的状态数。因此，开放的多体量子系统仍然是物理学中一个探索的前沿领域，对于它们还没有建立一个系统的理论框架。

在上世纪80年代，Altshuler和Aronov引入了非平衡格林函数的概念，来描述介观系统中的量子输运现象。介观系统是指介于微观和宏观之间的尺度的系统，例如纳米线、量子点和超导环等。这些系统既不是完全孤立的，也不是完全热化的，而是处于一个中间状态。非平衡格林函数可以用来计算这些系统中的电流、电导、噪声等物理量，它们包含了系统和环境之间的耦合信息。

在90年代，Verbaarschot和Zirnbauer将随机矩阵理论推广到了非平衡格林函数的框架中。他们发现，非平衡格林函数也可以根据对称性进行分类，但是类别比Dyson的更多。他们得到了十个类别，其中五个是Dyson的类别在非平衡情况下的推广，另外五个是新出现的类别。这些类别分别对应于不同类型的对称性破缺，例如时间反演对称性、粒子-空穴对称性、手性对称性等。

最近，Kawabata等人在这一基础上进一步发展了一个更一般的理论框架，将非平衡格林函数推广到了开放多体量子系统中。他们考虑了一个由许多量子单元组成的系统，每个单元可以有多个能级，并且可以与其他单元以及环境相互作用。他们假设系统处于稳态或准稳态，并且使用密度矩阵来描述系统的统计性质。他们证明了，密度矩阵也可以根据对称性进行分类，但是类别比Verbaarschot和Zirnbauer的更多。他们得到了55个类别，其中十个是Verbaarschot和Zirnbauer的类别在开放情况下的推广，另外45个是新出现的类别。这些类别分别对应于不同类型的对称性破缺，例如自旋旋转对称性、粒子数守恒对称性、拓扑对称性等。

为了验证他们的理论，在伊利诺伊大学香槟分校的合作者使用光合作用模型进行了计算机模拟。光合作用是一种生物过程，其中叶绿素分子吸收阳光能量，并将其转化为化学能量。叶绿素分子可以被视为一个开放多体量子系统，它由许多原子核和电子组成，并且与周围环境相互作用。模拟结果显示，叶绿素分子的密度矩阵符合Kawabata等人理论预测的某一类别。

这项工作为开放多体量子系统提供了一个完整而通用的分类方法，它可以帮助我们理解这些系统中可能出现的各种现象，包括量子混沌。它也为未来的实验提供了一些指导，可以用来探测和操纵这些系统的性质。例如，可以通过改变系统的参数，如磁场、温度、驱动频率等，来实现不同类别之间的转换。这可能会导致一些新奇的物理效应，如量子相变、拓扑绝缘体、超导性等。这些效应可能在未来的量子技术中有重要的应用，如量子计算、量子通信、量子传感等。