感谢爱因斯坦和量子计算长期存在的物理学秘密可能很快被解决

(2024-08-01 19:56:29)

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杂谈

感谢爱因斯坦和量子计算长期存在的物理学秘密可能很快被解决

By William Mark Stuckey

published 2 hours ago

Quantum Physics

量子纠缠的性质仍然是物理学中的一个突出问题。但阿尔伯特·爱因斯坦的理论与来自量子计算的洞察最终可能平息这个秘密。

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相对论能告知量子力学吗？(Image credit: koto_feja via Getty Images)

2025年标志着量子力学诞生100周年。在自该领域的开端以来的一个世纪里，科学家和工程师已经用量子力学来创造了诸如激光、核磁共振扫描仪和计算机芯片技术。

今天，研究人员正在展望建造量子计算机和来用一个名叫量子信息科学的全新姊妹领域安全的传输信息的方法。

但尽管创造所有这些突破性技术，对被该领域创始人提出的一些重大问题研究量子力学的物理学家和哲学家仍然没有想出答案。鉴于在量子信息科学中的最新发展，像我这样的研究人员正在用量子信息理论来探索思考这些未被回答的基础问题的新方法。我们正在探究的一个方向将阿尔伯特·爱因斯坦的相对论原理相关到量子比特。

量子计算机

量子信息科学集中在基于信息的量子“位”或量子比特建造量子计算机。量子比特在历史上基于物理学家马克斯·普朗克和爱因斯坦的发现。他们分别在1900年和1905年刺激了量子力学的发展，当时他们发现了光以离散的或能量束的“量子”存在。

量子比特可以给量子计算机如IBM的Q System One比经典计算机一个显著的优势。(Image credit: David Becker / Stringer via Getty Images)

基于一个量子比特而不是一个经典比特的计算机可能有一个显著的计算优势。这是因为一个经典位对一个查询产生一个二进制响应——要么1要么0。

相比之下，量子比特用量子超位的属性对无限多个查询产生一个二进制响应。这一属性允许研究人员来在所谓的一个量子纠缠态中来连接多个量子比特。在这里，纠缠的量子比特集体的以一种经典比特的阵列不能的方式行为。

这意味着一台量子计算机能比一台普通计算机远更快做一些计算。例如，据报道一台装置用了76个纠缠的量子比特来解决一个采样问题，比一台经典计算机更快100万亿倍。

但对这个支撑量子计算的量子纠缠态负责的确切力量或自然的原理是一个大的未被回答的问题。我和我的在量子信息理论领域的同事已经提出的一个解决方案不得不用爱因斯坦的相对论原理来做。

量子信息论

相对论原理说物理定律对所有观察者都是一样的，无论他们在空间中什么地方、它们如何被定向或者他们如何正在相对彼此移动。我的团队表明了如何将相对论原理与量子信息论原理联合来解释量子纠缠的粒子。

像我这样的量子信息理论家认为关于量子力学为一种信息原理的理论而不是一种力的理论。这与量子物理学的典型方法是非常不同的，物理学的典型方法中力和能量对做计算是重要的概念。相比之下，量子信息理论家不需要来知道什么种的物理力可能正在造成纠缠的量子粒子的神秘行为。

这给我们一个解释量子纠缠的优势，因为正如物理学家约翰·贝尔在1964年证明的那样，任何按力解释量子纠缠都需要爱因斯坦叫的“在距离上的诡异行为”。

这是因为两个纠缠的量子粒子的测量结果被共相关——即便这些测量被在同时做并且粒子物理上被一个广大的距离隔开。因此，如果一个力正在造成量子纠缠，它将不得不比光速更快。一个比光速更快的力违反爱因斯坦的狭义相对论。

许多研究人员正在试图来发现一种不需要在距离上诡异的行动就像我的团队已经提出的解决方案一样的量子纠缠的解释。

经典的和量子纠缠

在纠缠中，你能知道某些关于集体的两个粒子——称它们粒子1和粒子2——的事情，以便当你测量粒子1时你立即的知道某些关于粒子2的事情。

想象你正在给两个朋友发邮件，物理学家通常称他们为爱丽丝和鲍勃，每个人手套来自同一副手套。当爱丽丝打开她的盒子看到一只左手手套时她将立即的知道当鲍勃打开另一个盒子时他会看到右手手套。每个盒子和手套组合产生两种结果之一，要么一个右手手套，要么一个左手手套。只有一种可能的测量——打开盒子——因此爱丽丝和鲍勃已经纠缠了信息的经典位。

但在量子纠缠中情况涉及纠缠的量子比特，它们与经典比特非常不同的行为。

量子比特行为

考虑一种叫自旋的电子属性。当你用被垂直定向的磁铁测量一个电子的自旋时你总是得到一个向上或向下的自旋，中间没有任何东西。这是一个二元的测量结果，因此这是一个信息的位。

如果你转动磁铁它们的侧面来水平的测量一个电子的自旋，你总是得到一个向左或向右的自旋，中间没有任何东西。磁体的垂直和水平方向构成这个同一比特的两种不同测量。因此，电子自旋是一个量子比特——它对多次测量产生一个二元的响应。

量子超位

现在假设你首先垂直的测量一个电子的自旋并发现它是向上的，然后你水平的测量它的自旋。当你站直时你毕竟不会向右或向左移动。因此，如果我测量你站直时左右移动多少我会得到零。

这正是你可能对垂直向上自旋电子的预期。因为它们已经垂直的定向向上自旋，类似于直立，它们水平上不应该有任何向左或向右自旋，类似於来左右移动。

令人惊讶的是，物理学家已经发现它们的一半是水平的右的，一半是水平的左的。现在，当水平的测量时一个垂直向上自旋的电子有左自旋（-1）和右自旋（+1）的结果似乎没有意义，就像我们当直立时预期没有左右运动一样。

但当你把所有的左（-1）和右（+1）自旋结果加起来时你确实得到零，正如当我们的自旋状态是垂直向上自旋时我们在水平方向中预期的那样。因此，平均而言，就像当我们站直时没有左右或水平移动一样。

当物理学家他们说一个垂直向上自旋的电子处于一个左右水平自旋的量子超位时就二元的（+1和-1）结果的50-50比率就是他们正在谈论的。

来自相对性原理的纠缠

按照量子信息理论，所有的量子力学到包括它的量子纠缠态都是基于有它的量子超位的量子比特。

我和我的同事们提出的是这种量子超位源自相对论原理，该原理（再次）陈述对在空间中有不同方向的所有观察者物理定律是相同的。