看一下量子糾纏,就能改變量子系統的性質,量子世界太神奇了

2019-08-04     博科園

許多著名的實驗表明,觀察量子系統的簡單行為就能改變系統性質,這種現象被稱為「觀察者效應」,例如當有人窺視薛丁格貓的盒子後,它要麼死,要麼活(但不再是兩者都活)。觀察破壞了貓狀態的疊加,換句話說,破壞了描述貓處於兩種狀態機率的波函數。在一篇新研究論文中,物理學家進一步研究了測量如何影響量子糾纏,在這種情況下,量子糾纏相當於一個系統處於疊加狀態的程度。

以前的研究表明,當一個量子系統在沒有任何外界干擾的情況下獨自演化時,它的糾纏度往往會增加。也就是說,隨著時間的推移,量子系統趨向於漂移到具有大量量子疊加的狀態。

另一方面,對糾纏態進行測量往往會減少糾纏,這是因為對自旋狀態的測量(例如)將自旋摺疊成確定狀態,從而使自旋與其他自旋脫離,而其他自旋的狀態仍處於疊加狀態,這整體上減少了系統中的糾纏量。在新研究中,物理學家們通過計算機模擬和理論論證證明:

當以超過臨界值的速率進行測量時,會發生由測量引起的相變。這導致系統從糾纏量隨時間不斷增長的「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,但增長速度降至零。麻省理工學院的布萊恩·斯金納(Brian Skinner)、麻省理工學院和巴伊蘭大學的喬納森·魯曼(Jonathan Ruhman)、牛津大學的亞當·納胡姆(Adam Nahum)等物理學家在新一期《物理評論X》(Physical Review X)上發表了關於糾纏相變的研究。

物理學的一大成功之處在於,它能夠描述相變現象——當某些外部參數發生變化時,物質性質的突然變化,就像水在降到0攝氏度以下時突然凍結成冰。現在已經證明,同樣的情況也適用於量子糾纏的動力學過程。也就是說,糾纏生長的動力學性質也有一個相變作為一個外部參數函數,這是測量發生的速率,對我們來說,這是一個美麗而令人驚訝的組合!基於滲透理論中一個著名的問題——「破壞電阻網格」,開發了一個測量誘發相變的模型。

在這個問題中,破壞者試圖找到最小數量的鍵(稱為「最短路徑」或「最小切割」)來切割電網,以便完全斷開網絡。研究表明,計算量子系統糾纏熵的問題等價於這個優化問題,其目標是在一個無序的網絡中找到一個最小的切割,該網絡將網絡分成兩部分。在糾纏系統中,網絡代表量子系統,每一次測量代表斷開一個鍵。系統中的糾纏度由網絡中最小切割的大小決定,即為將系統與網絡的其餘部分分開,必須斷開未斷開鍵的總數。

從某種意義上說,這個數字說明了在一個糾纏系統轉變為解糾纏階段之前可以進行的測量頻率。由於不同網絡具有不同的鍵數和鍵的排列方式,不同系統的臨界測量速率也不同。物理學家們希望,理解這種測量引發的糾纏動力學相變,可能對發展量子系統模擬有有益的啟示。糾纏態在確定經典計算機上模擬量子動力學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易變難的相變。這可能使研究人員能夠更好地預測模擬難度,並尋找更簡單的替代方案。

研究發現對於用經典計算機模擬量子系統有多難這個問題有著直接的意義。這對量子計算方案可能也很重要,因為量子計算方案往往依賴於維持長期糾纏。在未來,研究人員計研究模型有多普遍。從數學上描述量子糾纏有不同的方法,其中一種描述與經典的滲流問題完全相似。但目前還不清楚這個類比有多普遍,以及其他描述糾纏的方式是否屬於同一個「普遍性類」。目前首要任務是確定這個類比是否只是在一些人為設計的情況下適用近似類比,還是在廣泛的描述和實驗設置中完全通用。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/HBIAYmwBUcHTFCnfjrZK.html