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看一下量子糾纏，就能改變量子系統(tǒng)的性質(zhì)，量子世界太神奇了！

2019-09-24 16:42 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

許多著名的實(shí)驗(yàn)表明，觀察量子系統(tǒng)的簡(jiǎn)單行為就能改變系統(tǒng)性質(zhì)，這種現(xiàn)象被稱為“觀察者效應(yīng)”，例如當(dāng)有人窺視薛定諤貓的盒子后，它要么死，要么活(但不再是兩者都活)。

觀察破壞了貓狀態(tài)的疊加，換句話說，破壞了描述貓?zhí)幱趦煞N狀態(tài)概率的波函數(shù)。在一篇新研究論文中，物理學(xué)家進(jìn)一步研究了測(cè)量如何影響量子糾纏，在這種情況下，量子糾纏相當(dāng)于一個(gè)系統(tǒng)處于疊加狀態(tài)的程度。

以前的研究表明，當(dāng)一個(gè)量子系統(tǒng)在沒有任何外界干擾的情況下獨(dú)自演化時(shí)，它的糾纏度往往會(huì)增加。也就是說，隨著時(shí)間的推移，量子系統(tǒng)趨向于漂移到具有大量量子疊加的狀態(tài)。另一方面，對(duì)糾纏態(tài)進(jìn)行測(cè)量往往會(huì)減少糾纏，這是因?yàn)閷?duì)自旋狀態(tài)的測(cè)量(例如)將自旋折疊成確定狀態(tài)，從而使自旋與其他自旋脫離，而其他自旋的狀態(tài)仍處于疊加狀態(tài)，這整體上減少了系統(tǒng)中的糾纏量。在新研究中，物理學(xué)家們通過計(jì)算機(jī)模擬和理論論證證明：

當(dāng)以超過臨界值的速率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，會(huì)發(fā)生由測(cè)量引起的相變。這導(dǎo)致系統(tǒng)從糾纏量隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)的“糾纏”階段急劇過渡到“解糾纏”階段，在這一階段仍然存在一些糾纏，但增長(zhǎng)速度降至零。麻省理工學(xué)院的布萊恩·斯金納(Brian Skinner)、麻省理工學(xué)院和巴伊蘭大學(xué)的喬納森·魯曼(Jonathan Ruhman)、牛津大學(xué)的亞當(dāng)·納胡姆(Adam Nahum)等物理學(xué)家在新一期《物理評(píng)論X》(Physical Review X)上發(fā)表了關(guān)于糾纏相變的研究。

物理學(xué)的一大成功之處在于，它能夠描述相變現(xiàn)象——當(dāng)某些外部參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，物質(zhì)性質(zhì)的突然變化，就像水在降到0攝氏度以下時(shí)突然凍結(jié)成冰?，F(xiàn)在已經(jīng)證明，同樣的情況也適用于量子糾纏的動(dòng)力學(xué)過程。也就是說，糾纏生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)也有一個(gè)相變作為一個(gè)外部參數(shù)函數(shù)，這是測(cè)量發(fā)生的速率，對(duì)我們來說，這是一個(gè)美麗而令人驚訝的組合！基于滲透理論中一個(gè)著名的問題——“破壞電阻網(wǎng)格”，開發(fā)了一個(gè)測(cè)量誘發(fā)相變的模型。

在這個(gè)問題中，破壞者試圖找到最小數(shù)量的鍵(稱為“最短路徑”或“最小切割”)來切割電網(wǎng)，以便完全斷開網(wǎng)絡(luò)。研究表明，計(jì)算量子系統(tǒng)糾纏熵的問題等價(jià)于這個(gè)優(yōu)化問題，其目標(biāo)是在一個(gè)無序的網(wǎng)絡(luò)中找到一個(gè)最小的切割，該網(wǎng)絡(luò)將網(wǎng)絡(luò)分成兩部分。在糾纏系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)代表量子系統(tǒng)，每一次測(cè)量代表斷開一個(gè)鍵。系統(tǒng)中的糾纏度由網(wǎng)絡(luò)中最小切割的大小決定，即為將系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的其余部分分開，必須斷開未斷開鍵的總數(shù)。

從某種意義上說，這個(gè)數(shù)字說明了在一個(gè)糾纏系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饧m纏階段之前可以進(jìn)行的測(cè)量頻率。由于不同網(wǎng)絡(luò)具有不同的鍵數(shù)和鍵的排列方式，不同系統(tǒng)的臨界測(cè)量速率也不同。物理學(xué)家們希望，理解這種測(cè)量引發(fā)的糾纏動(dòng)力學(xué)相變，可能對(duì)發(fā)展量子系統(tǒng)模擬有有益的啟示。糾纏態(tài)在確定經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子動(dòng)力學(xué)的難度方面起著重要作用。因此，糾纏-解糾纏相變的存在意味著模擬中存在一個(gè)易變難的相變。這可能使研究人員能夠更好地預(yù)測(cè)模擬難度，并尋找更簡(jiǎn)單的替代方案。

研究發(fā)現(xiàn)對(duì)于用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)有多難這個(gè)問題有著直接的意義。這對(duì)量子計(jì)算方案可能也很重要，因?yàn)榱孔佑?jì)算方案往往依賴于維持長(zhǎng)期糾纏。在未來，研究人員計(jì)研究模型有多普遍。從數(shù)學(xué)上描述量子糾纏有不同的方法，其中一種描述與經(jīng)典的滲流問題完全相似。但目前還不清楚這個(gè)類比有多普遍，以及其他描述糾纏的方式是否屬于同一個(gè)“普遍性類”。目前首要任務(wù)是確定這個(gè)類比是否只是在一些人為設(shè)計(jì)的情況下適用近似類比，還是在廣泛的描述和實(shí)驗(yàn)設(shè)置中完全通用。