导语


最近发表于 PRL 的一项最新研究设计了一个非线性二元微波腔磁振子混合系统，揭示了隐藏态导致的非线性现象——“隐藏多稳态”。该理论研究对于识别逃避直接实验检测的非线性物理系统中的隐藏状态至关重要。

关键词：复杂系统，非线性动力学，多稳态，耦合振子
樊华伟 | 作者


论文题目：
Folding State within a Hysteresis Loop: Hidden Multistability in Nonlinear Physical Systems
论文链接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.137201

双稳态指的是系统中两个不同的稳态共存的现象。随着分叉参数在特定范围内变化，系统展现出不同的稳态，进而形成磁滞回线。这种双稳态，乃至多稳态现象，在非线性动力学系统中极为常见。举例来说，在物理和工程应用中，双稳态和多稳态特性在计算和信息处理设备，如开关、存储器和逻辑门中发挥着关键作用。在系统和合成生物学领域，基因调控网络的动力学过程常展现出双稳态特征，涉及健康状态和癌症态之间的转换。在神经科学领域，多稳态是大脑网络功能的基础。在生态网络中，双稳态动力学可能导致从生存状态突然转变至灭绝状态。此外，在耦合相振子系统中，系统的无序状态到同步状态的转变过程也可以表现为一个不连续的、伴随着磁滞现象的爆炸性同步。由此可见，双稳态在不同领域均扮演着非常重要的作用，并且在不同系统中展现出相似的动力学特征，因此受到科学家们的广泛关注。

通常研究双稳态的应用时，人们默认系统仅存在两个稳态，并以此为基础进行实验设计和观测。然而，如果在双稳态中存在着第三个“隐藏”的稳态，一旦这个设备被投入到实际应用中，尤其是那些充斥着各种噪声的真实场景，噪声的干扰可能会“诱导”系统陷入到这个隐藏的稳态。这种情况下设备的性能可能会受到严重影响，甚至会导致重大错误。那么，自然界中的系统是否也会遭遇类似的情况呢？如果答案是肯定的，人们就必须高度重视这个问题，通过实验测试来全面评估隐藏态存在的可能性，从而确保系统的稳定性和可靠性。

图1.非线性动力学系统中的隐藏态

在最近发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters，PRL）的一篇研究论文中，研究者设计了一个非线性二元微波腔磁振子混合系统，该系统确实在双稳态的磁滞回线中存在隐藏态，并且无法通过常规的参数扫描实验来揭示。由隐藏态导致的非线性现象被称之为“隐藏多稳态”。为了能够揭示隐藏态，文章提出了一种基于矩形脉冲控制信号的可行的模拟实验检测方案。通过对非线性三元微波腔—磁振子混合系统和基因调控网络的研究，发现隐藏多稳态并不罕见，而是广泛存在于各种非线性动力系统。更重要的是，理论揭示了隐藏态在磁滞回线内部的产生可能是一个连续变化的过程，但这一过程在可能的实验观测中并不显露出任何明显的预兆。因此，不可避免的会将系统误认为双稳态。

该理论研究对于识别逃避直接实验检测的非线性物理系统中的隐藏状态至关重要，因为干扰和噪声会使系统处于隐藏态，从而产生意想不到的后果。此外，由于隐藏态的不易探测性，使得它在信息加密中也存在着潜在的巨大应用。

图2.隐藏态的连续变化过程

上述工作由西安邮电大学毕梦侠博士和樊华伟博士，同南京邮电大学的颜晓红教授，以及美国亚利桑那州立大学来颖诚教授合作完成。


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