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近一個世紀前，物理學家埃爾溫·薛定諤 (Erwin Schrödinger) 引起了人們對量子世界一個「奇事」的關注，自那以後，研究人員一直為之著迷和煩惱。
當原子等量子粒子相互作用時，它們會擺脫個體身份，轉而形成一種比其各部分之和更大、更奇怪的集體狀態。這種現象稱為糾纏。
研究人員對糾纏在僅包含幾個粒子的理想系統中是如何工作的，有著堅定的理解。但現實世界要複雜得多。在大量原子中，比如構成我們看得到和觸控到的東西的原子中，量子物理定律與熱力學定律相互競爭，事情變得一團糟。
在極低的溫度下，糾纏可以擴散到很遠的距離，包裹許多原子，併產生超導等奇怪現象。然而，加熱時，原子會抖動，破壞糾纏粒子之間脆弱的聯絡。
物理學家們長期以來一直在努力確定這一過程的細節。
現在，MIT 和加州大學伯克利分校的四名研究人員已經證明，糾纏並不僅僅隨著溫度升高而減弱。相反，在量子系統的數學模型中，例如物理材料中的原子陣列，總有一個特定的溫度，高於這個溫度，糾纏就會完全消失。
論文作者、麻省理工學院的 Ankur Moitra 說：「它不僅僅是指數級的小，而是零。」
論文連結：https://arxiv.org/pdf/2403.16850
研究人員之前曾觀察到這種行為的跡象，並將其稱為糾纏的「突然消亡」（sudden death）。但他們的證據一直是間接的。相比之下，新發現有數學證明。它以更全面、更嚴格的方式證實了糾纏的缺失。
奇怪的是，新成果背後的四位研究人員甚至不是物理學家，他們也沒有打算證明任何有關糾纏的東西。他們是電腦科學家，在開發新演算法時偶然發現了證明。
無論他們的意圖如何，這些結果都讓該領域的研究人員感到興奮。麻省理工學院物理學家 Soonwon Choi 說：「這是一個非常非常有力的證明。我印象非常深刻。」
尋找平衡
該團隊在探索未來量子計算機的理論時發現了這一點，這些機器將利用量子行為，包括糾纏和疊加，以比我們當前所知的傳統計算機快得多的速度執行某些計算。
量子計算最有前途的應用之一是研究量子物理學本身。假設你想了解量子系統的行為。研究人員首先需要開發量子計算機可以用來回答你的問題的特定程式或演算法。
Ewin Tang
但並非所有關於量子系統的問題都更容易用量子演算法來回答。有些問題對於在普通計算機上執行的經典演算法來說同樣容易，而有些問題對於經典演算法和量子演算法來說都很難。
為了瞭解量子演算法和執行它們的計算機可能在哪裡提供優勢，研究人員經常分析稱為自旋系統的數學模型，這些模型捕捉了相互作用的原子陣列的基本行為。然後他們可能會問：當你把自旋系統放在給定的溫度下時，它會做什麼？它穩定下來的狀態稱為熱平衡態，研究人員長期以來一直在開發用於尋找平衡態的演算法。
這些演算法是否真的受益於量子性質取決於所討論的自旋系統的溫度。在非常高的溫度下，已知的經典演算法可以輕鬆完成這項工作。隨著溫度降低和量子現象增強，就變得越來越難；在某些系統中，即使是量子計算機也無法在合理的時間內解決它。但這一切的細節仍不清楚。
「你什麼時候會進入需要量子的空間，什麼時候會進入量子甚至幫不上忙的空間？」加州大學伯克利分校的研究員、新成果的作者之一 Ewin Tang 說。「我們所知甚少。」
2 月，Tang 和 Moitra 開始與另外兩名麻省理工學院的電腦科學家一起思考熱平衡問題：一位名叫 Ainesh Bakshi 的博士後研究員和 Moitra 的研究生 Allen Liu。2023 年，他們都合作開發了一種突破性的量子演算法，用於涉及自旋系統的另一項任務，他們正在尋找新的挑戰。
「當我們一起工作時，事情就會順利進行，」Bakshi 說。「這太棒了。」
在 2023 年取得突破之前，麻省理工學院的三位研究人員從未研究過量子演算法。他們的背景是學習理論，這是電腦科學的一個分支，專注於統計分析演算法。「我們的優勢之一是我們對量子瞭解不多，」Moitra 說。「我們所知道的唯一量子是 Ewin 教給我們的量子。」
該團隊決定專注於相對高溫，研究人員懷疑快速量子演算法會存在，儘管沒有人能夠證明這一點。很快，他們就找到了一種方法，將學習理論中的一種舊技術改編成一種新的快速演算法。但在他們撰寫論文時，另一個團隊也得出了類似的結果：證明了前一年開發的一種演算法在高溫下也能很好地工作。他們被搶先了。
突然「死亡重生」
Tang 和她的同事們對排名第二感到有些沮喪，於是開始與馬德里理論物理研究所的物理學家、競爭對手論文的作者之一 Álvaro Alhambra 通訊。他們想找出他們各自取得的結果之間的差異。
但當 Alhambra 閱讀四位研究人員證明的初稿時，他驚訝地發現他們在中間步驟中證明了其他東西：在任何處於熱平衡的自旋系統中，糾纏在某個溫度以上會完全消失。「我告訴他們，哦，這非常非常重要，」Álvaro Alhambra 說。
Allen Liu、Ainesh Bakshi 和 Ankur Moitra（從左至右）
團隊迅速修改了初稿，以突出這一意外結果。Moitra 表示：「事實證明，這只是我們演算法的失誤。我們得到的比預想的要多。」
自 21 世紀後期以來，研究人員在普通經典計算機上的實驗和模擬中觀察到了這種糾纏的突然消失。但這些早期研究都無法直接測量糾纏的消失。他們也只在小型系統中研究了這種現象，而小型系統並不是最有趣的。
Alhambra 表示：「對於越來越大的系統，可能需要在越來越高的溫度中才能看到糾纏的消失。」在這種情況下，突然消亡現象可能發生在與真實材料無關的高溫下。相反，Tang 和她的同事們表明，糾纏消失的溫度並不取決於系統中原子的總數。唯一重要的是附近原子之間相互作用的細節。
Álvaro Alhambra
Álvaro Alhambra 是一位物理學家，他與 Tang、Moitra、Bakshi 和 Liu 研究同一個問題，他意識到他們在開發演算法時意外證明了一個關於量子糾纏的新結果。
他們在證明中使用的方法本身就很不尋常。大多數尋找熱平衡狀態的演算法都受到真實物理系統接近平衡的方式的啟發。但 Tang 和同事們使用的技術與量子理論相去甚遠。
「這就是這篇論文的神奇之處，」伯克利電腦科學家 Nikhil Srivastava 說。「這種證明忽略了物理學。」
繼續探索
四位研究人員證明高溫自旋系統不存在任何糾纏，這有助於解釋他們的新演算法的另一個有趣特徵：其中只有極少部分是量子的。確實，該演算法的輸出——自旋系統中原子在熱平衡狀態下如何定向的完整描述——太過笨重，無法儲存在經典機器上。但除了產生此輸出的最後一步之外，演算法的每個部分都是經典的。
「這本質上是最簡單的量子計算，」Liu 說。
Tang 長期以來一直致力於發現「去量化」結果——證明量子演算法對於許多問題實際上並不是必要的。她和她的同事這次並沒有試圖這樣做，但他們偶然發現的消失糾纏的證明相當於去量化的更極端版本。這不僅僅是量子演算法在涉及高溫自旋系統的特定問題上沒有任何優勢——這些系統根本就不具備量子性。
但這並不意味著量子計算研究人員應該失去希望。兩篇最近的論文確定了低溫自旋系統的例子，在這些系統中，測量平衡態的量子演算法優於經典演算法，儘管這種行為的普遍性還有待觀察。儘管 Bakshi 和他的合作者證明了一個負面結果，但他們用來達到這一結果的非正統方法表明，富有成效的新想法可能來自意想不到的地方。
「我們可以樂觀地認為，有瘋狂的新演算法有待發現，」Moitra 說。「在這個過程中，我們可以發現一些美麗的數學。」
參考內容：https://www.quantamagazine.org/computer-scientists-prove-that-heat-destroys-entanglement-20240828/