Computer Scientists Prove That Heat Destroys Quantum Entanglement
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欢迎收听Quantascience播客。每一期节目,我们都会为您带来关于科学和数学发展的故事。我是苏珊·瓦莱特。在设计一种新的量子算法时,四位研究人员意外地确定了这种神秘现象的硬性限制。接下来就是这个。

这是《为什么的快乐》的第三季,我仍然有很多疑问。比如,我们所说的时间是什么?利他主义为什么存在?十一月在哪里?我在这里,我是天体物理学家兼联合主持人,随时准备应对任何事情。没错。我带来了A组。所以做好准备。准备好学习吧。我是十一月。我是史蒂夫·斯特罗加茨。这是......量子杂志的播客,《为什么的快乐》。每隔周四都会发布新剧集。

近一个世纪前,物理学家埃尔温·薛定谔提请人们注意量子世界的一个怪癖,这个怪癖从那时起就一直吸引着并困扰着研究人员。当诸如原子之类的量子粒子相互作用时,它们会放弃各自的身份,转而采用一种集体状态,这种状态比其各个部分的总和更大、更奇怪。这种现象被称为纠缠。

袁唐是加州大学伯克利分校的研究员。人们不知道什么是纠缠,对吧?这就像量子信息的核心谜团之一。人们长期以来一直在试图理解这件事。研究人员对仅包含几个粒子的理想化系统中纠缠是如何工作的有很好的理解。但现实世界更加复杂。

在大量的原子阵列中,就像构成我们所见所触之物的原子阵列一样,量子物理定律与热力学定律相互竞争。事情变得混乱。在极低的温度下,纠缠可以在很长的距离内传播,吞噬许多原子,并产生超导等奇异现象。

但是,提高温度,原子就会四处跳动,破坏束缚纠缠粒子的脆弱联系。

物理学家长期以来一直在努力确定这一过程的细节。现在,一个由四位研究人员组成的团队已经证明,纠缠不仅仅随着温度的升高而减弱。相反,在量子系统的数学模型中,例如原子阵列和物理材料,总存在一个特定的温度,高于该温度纠缠就会完全消失。

麻省理工学院的安库尔·莫伊特拉是这项新成果的作者之一。我们所展示的是,所有的纠缠都消失了。它是零。它不仅仅是指数级的小。那里什么也没有。研究人员之前已经观察到这种行为的迹象,并将其称为纠缠的突然死亡。但他们的证据大多是间接的。新的发现以数学上严格的方式对纠缠施加了更强的限制。

奇怪的是,这项新成果背后的四位研究人员甚至都不是物理学家。他们并没有着手证明任何关于纠缠的事情。他们是计算机科学家,他们在开发一种新算法时偶然发现了这个证明。无论他们的意图如何,其结果都让该领域的科研人员感到兴奋。苏元崔是麻省理工学院的物理学家。他们所说的意思是,无论你如何将系统划分为不同的部分,一切都是完全经典的。

所以这是一个非常强烈的论断,我对此印象非常深刻。该团队在探索未来量子计算机的理论能力时取得了这一发现。这些机器将利用量子行为,包括纠缠和叠加,来执行某些计算,其速度远快于我们今天所知的传统计算机。量子计算最有希望的应用之一是研究量子物理本身。

假设你想了解量子系统的行为。研究人员首先需要开发特定的程序或算法,量子计算机可以使用这些程序或算法来回答你的问题。但并非所有关于量子系统的问题都更容易使用量子算法来解答。有些问题对于经典算法(在普通计算机上运行)来说同样容易,而另一些问题对于经典算法和量子算法来说都很难。

为了了解量子算法及其可以运行它们的计算机可能在哪些方面具有优势,研究人员经常分析称为自旋系统的数学模型。这些模型捕捉了相互作用原子阵列的基本行为。然后他们可能会问:“当你在给定温度下让自旋系统静置时,它会做什么?”

它最终达到的状态称为其热平衡状态。这种状态决定了系统的许多其他特性,因此研究人员长期以来一直在寻求开发寻找平衡状态的算法。这些算法是否真正受益于其量子特性取决于所讨论的自旋系统的温度。在非常高的温度下,已知的经典算法可以轻松完成这项工作。

随着温度降低和量子现象增强,问题变得越来越难。在某些系统中,即使对于量子计算机来说,在任何合理的时间内解决问题也变得太难了。但所有这一切的细节仍然模糊不清。这项新成果的作者之一唐伊文说,问题是,你什么时候进入需要量子的空间,什么时候进入量子甚至帮不了你的空间?唐说,人们对此知之甚少。

去年二月,唐和莫伊特拉与麻省理工学院的另外两位计算机科学家——一位名叫伊内·巴克希的博士后研究员和莫伊特拉的研究生艾伦·刘——一起开始思考热平衡问题。

在2023年,他们都合作开发了一种用于涉及自旋系统的不同任务的突破性量子算法,他们正在寻找新的挑战。这是巴克希说的。这是一组非常棒的合作者,每个人都根据自己的背景带来了令人难以置信的见解。当我们一起工作时,事情就会自然而然地进行。在2023年取得突破之前,这三位麻省理工学院的研究人员从未从事过量子算法的研究。

他们的背景是学习理论,这是计算机科学的一个子领域,专注于统计分析算法。

但像所有雄心勃勃的新兴企业一样,他们以全新的视角看待这个问题。这是莫伊特拉说的。归根结底,我们的优势之一是我们对量子知之甚少,或者至少我们只知道伊万教给我们的量子。但我认为这给了我们一个优势,因为它意味着我们拥有与经典工具丰富的类比。

这给了我们很多乐观的原因。该团队决定专注于相对较高的温度,在那里研究人员怀疑即使没有人能够证明它,快速量子算法也存在。很快,他们找到了一种方法,可以将学习理论中的一种旧技术改编成一种新的快速算法。

但当他们撰写论文时,另一个团队也取得了类似的结果:证明前一年开发的一种有前景的算法在高温下也能很好地工作。他们被抢先了。他们有点沮丧,因为他们屈居第二。因此,唐和她的合作者开始与阿尔瓦罗·阿尔罕布拉通信,阿尔瓦罗·阿尔罕布拉是马德里理论物理研究所的物理学家,也是竞争论文的作者之一。

他们想弄清楚他们各自取得的结果之间的差异。但当阿尔罕布拉阅读了四位研究人员证明的初步草稿后,他惊讶地发现他们在中间步骤中证明了其他事情。在任何处于热平衡状态的自旋系统中,纠缠都会在某个温度以上完全消失。阿尔罕布拉说,他告诉小组他们发现的东西非常非常重要。

该团队迅速修改了他们的草稿,以突出意外的结果。这是莫伊特拉说的。事实证明,这只是从我们的算法中得出的,我们得到了超出预期的结果。自2000年代以来,研究人员在普通经典计算机上的实验和模拟中已经观察到这种纠缠的突然死亡。

但所有这些早期作品都不能直接测量纠缠的消失。他们还只研究了小型系统中的这种现象,而小型系统并不是最有趣的系统。阿尔罕布拉说,对于越来越大的系统,你可能需要达到越来越高的温度才能看到纠缠消失。在这种情况下,突然死亡现象可能发生在如此高的温度下,以至于与实际材料无关。

唯一来自2003年的先前理论限制留下了这种可能性。相反,唐和她的合作者表明,纠缠消失的温度不取决于系统中原子的总数。唯一重要的是附近原子之间相互作用的细节。他们证明中使用的方法本身也很不寻常。

大多数用于寻找热平衡状态的算法都受到真实物理系统接近平衡的方式的启发。

但滕和他的同事们使用了与量子理论相去甚远的技术。加州大学伯克利分校的计算机科学家尼希尔·施里瓦斯塔瓦说:尼希尔·施里瓦斯塔瓦:这篇论文,我认为它令人惊奇的是,是的,证明是基于一些非常算法化的思想。在某种程度上,证明有点忽略了物理学。它只是一个矩阵。进行归纳。进行概率计算和新的代数运算。我觉得如果你对这些事情有很多物理直觉,

你可能会尝试一个证明,其中每一步都有物理意义。而他们的这个证明并不一定有物理意义。最终,忘记它是一个状态是非常有力的。四位研究人员证明高温自旋系统缺乏任何纠缠,这有助于解释他们新算法的另一个有趣特征:其中很少一部分实际上是量子的。

诚然,算法的输出(对自旋系统中原子的取向在热平衡状态下的完整描述)对于在经典机器上存储来说过于庞大。但除了生成此输出的最后一步之外,算法的每个部分都是经典的。这是参与研究团队的研究生艾伦·刘说的。重点是你运行......

纯粹的经典处理。然后最后,你只输出一个不纠缠的量子态。所以从技术上讲,好的,你的输出是一个量子态。因此,你必须进行一些量子计算才能输出此状态。但这就像本质上最微不足道的量子计算。几乎所有事情都在经典地发生。唐在发现去量子化结果方面有着悠久的记录,这意味着证明量子算法对于许多问题实际上并非必要。

她和她的合作者这次并没有试图这样做,但他们偶然发现的消失纠缠的证明相当于去量子化的更极端版本。这不仅仅是量子算法在涉及高温自旋系统的特定问题中没有提供任何优势。而是这些系统本身没有任何量子特性。但这并不意味着量子计算研究人员应该失去希望。

两篇最近的论文确定了低温自旋系统的例子,其中测量平衡状态的量子算法优于经典算法,尽管这种行为的普遍程度还有待观察。即使巴克希和他的合作者证明了一个否定的结果,他们用来获得结果的非正统方法也表明,富有成效的新思想可以来自意想不到的地方。

安库尔·莫伊特拉说他是一个算法人员,所以他喜欢发现可以证明解决问题的新的算法。你知道,这正是我对量子信息论领域感到兴奋的原因,那就是存在算法问题,我们可以乐观地认为存在疯狂的新算法有待发现,并且在这个过程中,我们可以发现一些美丽的数学。

阿琳·桑塔纳帮助制作了这一集。我是苏珊·瓦莱特。有关此故事的更多信息,请阅读本·布鲁贝克的完整文章《计算机科学家证明热量会破坏量子纠缠》,该文章发表在我们的网站quantummagazine.org上。一定要告诉你的朋友们关于Quanta Science播客,并给我们一个积极的评价或关注你收听的地方。这有助于人们找到这个播客。