计算机科学家证明热毁灭量子纠缠

在设计一种新的量子算法时四名研究人员意外的对“诡异的”现象建立了一个硬限制。

QUANTUM COMPUTING

 Kristina Armitage/Quanta Magazine

ByBen Brubaker

Staff Writer

August 28, 2024

从近一个世纪前那时起物理学家埃尔温·薛定谔 （Erwin Schrödinger）呼吁注意一个已经沉迷和困扰研究人员的量子世界的一个怪癖。当量子粒子诸如原子相互作用时它们感兴趣于一种比它的部分总和更大、更诡异的摆脱它们各自的身份的集体状态。这种现象被称为纠缠。

研究人员有一个在仅包含几个粒子的理想化系统中纠缠如何工作的理解。但现实世界是更复杂的。在大的原子阵列中，就像构成我们看到和触摸到的物质的原子一样，量子物理学的法则与热力学的法则竞争，事情变得混乱。

在非常低的温度下，纠缠能在长距离上传播，包络许多原子并诞生诸如超导的奇怪现象。不过，提高热原子挤动着，破坏束缚纠缠的粒子的脆弱联系。

长期以来，物理学家一直挣扎来定下这一过程的细节。现在，一个四名研究人员的团队已经证明了随着温度增加纠缠不只减弱。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，超过这个温度它完全的消失。新结果的作者之一麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology）的安库尔·莫伊特拉（Ankur Moitra）说，“这不仅仅是它指数般的小，它是零” 。

研究人员此前已经观测到这种行为的暗示并标榜它为纠缠的“突然死亡”。但他们的证据一直总是间接的。相比之下，这一新发现有一个数学证明的力。它以一个远更广泛和严格的方式建立纠缠的缺乏。

好奇的是，新结果背后的四名研究人员甚至都不是物理学家，他们并没有打算来证明任何关于纠缠的事情。他们是计算机科学家，在开发一种新算法时偶然的绊倒在这个证明上。

无关他们的意图，这些结果已经兴奋了该领域中的研究人员。麻省理工学院（MIT）的物理学家崔顺元（Soonwon Choi）说，“这是一个非常非常强的声明，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将用量子行为包括纠缠和超位来以比我们今天所知的传统计算机远更快执行某些计算的理论能力时做出了他们的发现，。

量子计算最承诺的应用之一是研究量子物理学本身。让我们说你想要了解一个量子系统的行为。研究人员首先需要开发量子计算机能用来回答您的问题的特定程序或算法。

艾文唐（Ewin Tang） 帮助设计了一种新的快速算法，用于模拟某些量子系统如何在高温行为。Xinyu Tan

但并非所有关于量子系统的问题都用量子算法更容易来回答。有些算法对运行在普通计算机上的经典算法相等的容易，而另一些算法对经典算法和量子算法都很难。

为了解量子算法和能运行量子算法的计算机可能提供一个优势的地方，研究人员往往分析叫自旋系统的数学模型，这些模型捕获相互作用的原子阵列的基本行为。然后他们可能会问：当在一个给定温度下您单独留下它自旋转系统将做什么？它安顿成的叫它说的热平衡状态的状态决定它的许多其他属性，因此研究人员长期以来寻求来开发寻找平衡状态的算法。

是否这些算法真的从是量子性质中受益依靠问题中的自旋系统的温度。在非常高的温度下，已知的经典算法能容易的做这项工作。随着温度降低和量子现象越来越强这个问题变得越来越困难，在某些系统中对甚至量子计算机在任何合理量的时间内解决也变得困难。但所有这个的细节仍然模糊的。

加州大学伯克利分校（University of California， Berkeley）的研究员、新结果的作者之一艾文·唐（Ewin Tang）说，“什么时候你去你需要量子的领域和什么时候你去量子甚至不帮你的领域？那个的很多是不知道的” 。

今年 2 月，唐和莫伊特拉开始与名叫爱涅什巴克喜（Ainesh Bakshi ）的博士后研究员和莫伊特拉的研究生阿伦刘（Allen Liu）另外两位麻省理工学院的计算机科学家一起思考热平衡问题。2023 年，他们都已经为涉及自旋系统的不同任务合作开发了一种开创性的量子算法，他们正在寻找新的挑战。

巴克喜说，“当我们一起工作时事情只是流畅的，这一直是敬畏的” 。

在 2023 年突破之前，麻省理工学院的三名研究人员从未工作在量子算法上。他们的背景是学习理论，计算机科学的一个集中在统计分析算法上的子领域。但就像世界各地雄心勃勃的新贵一样，他们将他们的相对天真的视为一种优势，一种来以新鲜眼光看待问题的方式。莫伊特拉说，“我们的力量之一是我们不知道量子太多，我们知道的唯一量子是艾文教了我们的” 。

该团队决定集中在相对高温上，研究人员怀疑在那里快速量子算法会存在，即便没有人已经能够来证明它。很快，他们找到了一种来将学习理论的旧技术变成新的快速算法的方法。但随他们写起他们的论文另一个团队得出了一个类似的结果：证明前一年开发的一种承诺的算法在高温下很好的工作。他们已经被挖走了。

猝死重生

唐和她的合作者对他们已经成第二名有点遗憾，他们开始与马德里理论物理研究所的物理学家阿尔瓦罗·阿尔罕布拉 （Álvaro Alhambra）通信，阿尔瓦罗·阿尔罕布拉 （Álvaro Alhambra）是竞争对手论文的作者之一。他们要计算出他们已经独立的取得的结果之间的差异。但当阿尔罕布拉通读了四位研究人员的一个证明初稿时，他惊讶地发现他们在一个中间步骤中已经证明了某些东西：在任何处于热平衡状态的自旋系统中，纠缠在一定温度以上彻底的消失。阿尔罕布拉说，“我告诉他们，'哦，这非常非常重要的'”。

左起：阿伦刘（Allen Liu）、爱涅什巴克喜（Ainesh Bakshi） 和安库尔莫伊特拉（Ankur Moitra ）与唐合作，他们的背景吸引在一个计算机科学不同分支上。莫伊特拉说，“我们的力量之一是我们不知道量子太多”。From left: Courtesy of Allen Liu; Amartya Shankha Biswas; Gretchen Ertl

该团队迅速修改了他们的草稿来突出这个意外的结果。莫伊特拉说，“原来是这只是落在我们的算法之外，我们得到比我们讨价还价的更多” 。

自 2000 年代后期以来，研究人员已经在普通经典计算机上的实验和仿真中观测到了这种纠缠的突然死亡。但这些早期的作品一直没有一个能够直接测量纠缠的消失。他们还已经仅在小系统中研究了这种现象，小系统并不是最有趣的系统。

阿尔罕布拉说，“可能一直是对越来越大的系统，你将不得不到越来越高的温度来看到纠缠的缺乏”。在这个案例中，猝死现象可能在如此高的温度下发生以至于在实际材料中不相关。相反，唐和她的合作者表明了纠缠消失的温度并不依靠系统中的原子总数。唯一要紧的是附近原子之间相互作用的细节。

与 唐、莫伊特拉、巴克喜和刘一起工作在同一问题上的物理学家阿尔罕布拉（Álvaro Alhambra ）意识到，他们已经在开发他们的算法时意外证明了关于量子纠缠的新结果。Laura Marcos

他们在证明中用的方法本身是不寻常的。大多数用于查找热平衡状态的算法都被真实物理系统接近平衡的方式启发。但唐和伙伴用的技术与量子理论相去甚远。

伯克利大学的计算机科学家尼基尔·斯里瓦斯塔瓦（Nikhil Srivastava）说，“这就是关于这篇论文什么是惊人的，证明有种忽略物理学” 。

搜索继续

这四位研究人员的高温自旋系统缺乏任何纠缠的证明帮助解释他们的新算法的另一个有趣特征：它实际上量子是很少的。真的，该算法的输出-在一个自旋系统中原子如何被定向在热平衡中的完整描述-是太笨拙不能存储在经典机器上。但除了生成这个输出的最后一步之外，算法的每个部分都是经典的。

刘说，“它本质上是最微不足道的量子计算”。

唐在发现“去量子化”结果有一个长的轨道记录，量子算法实际上对许多问题不是必需的证明。这一次她和她的合作者并没有试图来这样做，但他们绊倒进入的消失的纠缠的证据上升到一个甚至更极端版本的去量子化。这不仅仅是量子算法在涉及高温自旋系统的特定问题中没有提供任何优势——关于这些系统从来没有任何量子。

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但这并不意味着量子计算研究人员应该失去希望。最近的两篇论文识别了低温自旋系统的例子，其中用于测量平衡状态的量子算法优于经典算法，尽管这种行为是多普遍的还有待观察。即便巴克喜和他的合作者证明了一个负面的结果，但他们用来到达那里的非正统方法表明富有成效的新想法能来自意想不到的地方。

莫伊特拉说，“我们能是乐观的有有待被发现的疯狂新算法，在这个过程中我们能发现一些美丽的数学” 。

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