纯数学方法证明量子纠缠可突然消失！MIT科学家无意中提供论证
编辑日期：2024年09月02日
华人参与
从未学过量子算法的研究者，在首次相关工作中便证明了一项量子物理难题！
麻省理工学院（MIT）的计算机科学家们通过数学方法发现，当温度达到某个特定值时，热量会导致量子纠缠完全消失。
量子纠缠的消失意味着所有依赖这种纠缠的量子计算或量子通信协议都将失效，系统会从量子行为转变为经典行为。
例如，量子计算机正是通过量子纠缠实现了并行计算，从而大幅提升了计算速度。一旦量子纠缠消失，量子计算机的优势将不复存在，其性能可能与经典计算机相当。
在此之前，学术界已经观察到了量子纠缠“突然消失”的现象，但对其理解不够深入。此次，计算机科学家们提供的数学证明为这一现象提供了更为全面和严谨的论证。
值得一提的是，研究团队中的四名成员中有三人在2023年之前从未研究过量子算法，他们原本专注于计算机科学理论研究。他们原本计划探索量子计算机方面的理论，却意外地证明了这一物理学问题。
他们认为，自己对量子物理知之甚少反而成为了一种优势，为研究提供了全新的视角。
该团队中有华人成员参与，四位成员分别是：Ewin Tang、Allen Liu、Ainesh Bakshi 和 Ankur Moitra。
近一个世纪前，物理学家薛定谔发现，当原子等量子粒子相互作用时，它们会放弃各自的独立身份，形成一种比各部分之和更大、更奇特的集体状态——量子纠缠。
在理想的量子系统中，人们对纠缠的理解相对清晰，但在现实世界中，情况要复杂得多。在低温条件下，量子纠缠能够在较远的距离上传播，展现出量子世界的奇妙特性；然而，随着温度升高，这种脆弱的联系会被破坏。
学术界观察到，量子纠缠不仅会随着温度上升而减弱，在某个特定温度以上，还会完全消失，不是逐渐减小，而是直接归零。这种现象被称为量子纠缠的“突然死亡”。
尽管科学家们发现了这种迹象，但一直缺乏直接证据。最新的研究通过数学证明方法，为这一现象提供了有力的支持。
原本，Ewin Tang等四位研究人员的目标是开发新的量子算法，以探索未来量子计算机的潜在能力，并为量子系统的研究提供具体算法，使其能在量子计算机上运行，解决与量子物理学相关的问题。
他们特别关注自旋系统的热平衡状态，因为这类系统是理解和应用量子物理学及量子计算的关键模型。他们希望通过算法找到一种有效的方法来描述量子系统在不同温度下的行为。
今年2月，Tang和Moitra与Ainesh Bakshi及Allen Liu合作，开发了一种能够解决自旋系统中诸多问题的量子算法，并决定着重研究相对较高的温度范围，因为他们推测在这种条件下可能存在快速量子算法。
不久后，他们发现可以将学习理论中的一项旧技术转化为新的高效算法。然而，在撰写论文时，另一个研究小组也得出了类似结论，这令团队有些沮丧。
为了找出两份研究间的差异，他们联系了马德里理论物理研究所的物理学家Álvaro Alhambra，希望能得到帮助。
结果无心插柳柳成荫，Alhambra 发现他们在研究中的一个步骤证明了在热平衡状态下，任何自旋系统中的量子纠缠在超过某一温度时可以完全消失。这一点非常重要。
于是研究小组迅速调整了论文的方向。
这是自 2000 年左右以来首次找到直接证明量子纠缠“突然消失”的工作。
因为系统越大、温度越高，才有可能观察到纠缠的消失。
此外，他们还证明了量子纠缠突然消失的温度并不取决于系统中原子的总数，而是与相邻原子之间的相互作用有关。
目前这一结果仅在数学模型中得到了验证，还需要进一步的研究。
对此，团队成员之一 Moitra 表示他们对前景非常乐观。
在这个探索过程中，将会发现更多新奇的算法。
参考链接：https://www.quantamagazine.org/computer-scientists-prove-that-heat-destroys-entanglement-20240828/
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