MIT计算机科学家意外发现，量子纠缠会「突然消亡」

编译 | KX

近一个世纪前，物理学家埃尔温·薛定谔 (Erwin Schrödinger) 引起了人们对量子世界一个「奇事」的关注，自那以后，研究人员一直为之着迷和烦恼。

当原子等量子粒子相互作用时，它们会摆脱个体身份，转而形成一种比其各部分之和更大、更奇怪的集体状态。这种现象称为纠缠。

研究人员对纠缠在仅包含几个粒子的理想系统中是如何工作的，有着坚定的理解。但现实世界要复杂得多。在大量原子中，比如构成我们看得到和触摸到的东西的原子中，量子物理定律与热力学定律相互竞争，事情变得一团糟。

在极低的温度下，纠缠可以扩散到很远的距离，包裹许多原子，并产生超导等奇怪现象。然而，加热时，原子会抖动，破坏纠缠粒子之间脆弱的联系。

物理学家们长期以来一直在努力确定这一过程的细节。

现在，MIT 和加州大学伯克利分校的四名研究人员已经证明，纠缠并不仅仅随着温度升高而减弱。相反，在量子系统的数学模型中，例如物理材料中的原子阵列，总有一个特定的温度，高于这个温度，纠缠就会完全消失。

论文作者、麻省理工学院的 Ankur Moitra 说：「它不仅仅是指数级的小，而是零。」

论文链接：https://arxiv.org/pdf/2403.16850

研究人员之前曾观察到这种行为的迹象，并将其称为纠缠的「突然消亡」（sudden death）。但他们的证据一直是间接的。相比之下，新发现有数学证明。它以更全面、更严格的方式证实了纠缠的缺失。

奇怪的是，新成果背后的四位研究人员甚至不是物理学家，他们也没有打算证明任何有关纠缠的东西。他们是计算机科学家，在开发新算法时偶然发现了证明。

无论他们的意图如何，这些结果都让该领域的研究人员感到兴奋。麻省理工学院物理学家 Soonwon Choi 说：「这是一个非常非常有力的证明。我印象非常深刻。」

寻找平衡

该团队在探索未来量子计算机的理论时发现了这一点，这些机器将利用量子行为，包括纠缠和叠加，以比我们当前所知的传统计算机快得多的速度执行某些计算。

量子计算最有前途的应用之一是研究量子物理学本身。假设你想了解量子系统的行为。研究人员首先需要开发量子计算机可以用来回答你的问题的特定程序或算法。

Ewin Tang

但并非所有关于量子系统的问题都更容易用量子算法来回答。有些问题对于在普通计算机上运行的经典算法来说同样容易，而有些问题对于经典算法和量子算法来说都很难。

为了了解量子算法和运行它们的计算机可能在哪里提供优势，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的原子阵列的基本行为。然后他们可能会问：当你把自旋系统放在给定的温度下时，它会做什么？它稳定下来的状态称为热平衡态，研究人员长期以来一直在开发用于寻找平衡态的算法。

这些算法是否真的受益于量子性质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，就变得越来越难；在某些系统中，即使是量子计算机也无法在合理的时间内解决它。但这一切的细节仍不清楚。

「你什么时候会进入需要量子的空间，什么时候会进入量子甚至帮不上忙的空间？」加州大学伯克利分校的研究员、新成果的作者之一 Ewin Tang 说。「我们所知甚少。」

2 月，Tang 和 Moitra 开始与另外两名麻省理工学院的计算机科学家一起思考热平衡问题：一位名叫 Ainesh Bakshi 的博士后研究员和 Moitra 的研究生 Allen Liu。2023 年，他们都合作开发了一种突破性的量子算法，用于涉及自旋系统的另一项任务，他们正在寻找新的挑战。

「当我们一起工作时，事情就会顺利进行，」Bakshi 说。「这太棒了。」

在 2023 年取得突破之前，麻省理工学院的三位研究人员从未研究过量子算法。他们的背景是学习理论，这是计算机科学的一个分支，专注于统计分析算法。「我们的优势之一是我们对量子了解不多，」Moitra 说。「我们所知道的唯一量子是 Ewin 教给我们的量子。」

该团队决定专注于相对高温，研究人员怀疑快速量子算法会存在，尽管没有人能够证明这一点。很快，他们就找到了一种方法，将学习理论中的一种旧技术改编成一种新的快速算法。但在他们撰写论文时，另一个团队也得出了类似的结果：证明了前一年开发的一种算法在高温下也能很好地工作。他们被抢先了。

突然「死亡重生」

Tang 和她的同事们对排名第二感到有些沮丧，于是开始与马德里理论物理研究所的物理学家、竞争对手论文的作者之一 Álvaro Alhambra 通信。他们想找出他们各自取得的结果之间的差异。

但当 Alhambra 阅读四位研究人员证明的初稿时，他惊讶地发现他们在中间步骤中证明了其他东西：在任何处于热平衡的自旋系统中，纠缠在某个温度以上会完全消失。「我告诉他们，哦，这非常非常重要，」Álvaro Alhambra 说。

Allen Liu、Ainesh Bakshi 和 Ankur Moitra（从左至右）

团队迅速修改了初稿，以突出这一意外结果。Moitra 表示：「事实证明，这只是我们算法的失误。我们得到的比预想的要多。」

自 21 世纪后期以来，研究人员在普通经典计算机上的实验和模拟中观察到了这种纠缠的突然消失。但这些早期研究都无法直接测量纠缠的消失。他们也只在小型系统中研究了这种现象，而小型系统并不是最有趣的。

Alhambra 表示：「对于越来越大的系统，可能需要在越来越高的温度中才能看到纠缠的消失。」在这种情况下，突然消亡现象可能发生在与真实材料无关的高温下。相反，Tang 和她的同事们表明，纠缠消失的温度并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。

Álvaro Alhambra

Álvaro Alhambra 是一位物理学家，他与 Tang、Moitra、Bakshi 和 Liu 研究同一个问题，他意识到他们在开发算法时意外证明了一个关于量子纠缠的新结果。

他们在证明中使用的方法本身就很不寻常。大多数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 Tang 和同事们使用的技术与量子理论相去甚远。

「这就是这篇论文的神奇之处，」伯克利计算机科学家 Nikhil Srivastava 说。「这种证明忽略了物理学。」

继续探索

四位研究人员证明高温自旋系统不存在任何纠缠，这有助于解释他们的新算法的另一个有趣特征：其中只有极少部分是量子的。确实，该算法的输出——自旋系统中原子在热平衡状态下如何定向的完整描述——太过笨重，无法存储在经典机器上。但除了产生此输出的最后一步之外，算法的每个部分都是经典的。

「这本质上是最简单的量子计算，」Liu 说。

Tang 长期以来一直致力于发现「去量化」结果——证明量子算法对于许多问题实际上并不是必要的。她和她的同事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上没有任何优势——这些系统根本就不具备量子性。

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，在这些系统中，测量平衡态的量子算法优于经典算法，尽管这种行为的普遍性还有待观察。尽管 Bakshi 和他的合作者证明了一个负面结果，但他们用来达到这一结果的非正统方法表明，富有成效的新想法可能来自意想不到的地方。

「我们可以乐观地认为，有疯狂的新算法有待发现，」Moitra 说。「在这个过程中，我们可以发现一些美丽的数学。」

参考内容：https://www.quantamagazine.org/computer-scientists-prove-that-heat-destroys-entanglement-20240828/