純數學方法證明量子糾纏會突然消失！MIT科學家無心插柳提供論證
華人參與
明敏 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
從沒學過量子算法，首次相關工作就證明量子物理難題！
MIT計算機科學家，利用數學方法發現，當溫度到達一定值后，熱量導致量子糾纏完全消失。
量子糾纏消失，意味著任何基于這種糾纏的量子計算或量子通信協議都將失效，系統從量子行為轉變為經典行為。
比如量子計算機正是利用量子糾纏實現并行計算，大幅提升計算速度。如果量子糾纏消失，那么量子計算機的優勢將不復存在，性能或許和經典計算機相當。
在此之前，學界已經觀察到量子糾纏“突然消失”的情況，但是理解并不夠深入。
這次計算科學家們提供的數學證明，為這一現象提供了更加全面和嚴謹的論證。
值得一提的是，團隊4人中，有3人在2023年之前都從未研究過量子算法，他們本來是做計算機科學理論研究的。
本來他們是打算探索量子計算機方面的理論，結果無意間證明了這一物理學問題。
他們覺得，自己的優勢就在于對量子物理知之甚少。這為研究提供一種全新的視角。
在該團隊中，還看到了華人面孔。
四位成員分別是：Ewin Tang、Allen Liu、Ainesh Bakshi和Ankur Moitra 。
無心插柳柳成蔭
近一個世紀前，物理學家薛定諤發現，當原子等量子粒子相互作用時，它們會放棄各自的身份，轉而形成比各部分之和更大、更奇怪的集體狀態。
這就是量子糾纏。
在理想的量子系統中，人們對糾纏的理解相對清晰，然而在現實世界中，情況要復雜得多。
當溫度較低時，量子糾纏能夠在較遠距離傳播，展現出量子世界的奇妙特性。但隨著溫度升高，這種脆弱的聯系就會遭到破壞。
學界還觀察到，量子糾纏不只是隨著溫度升高而減弱。在一個系統中，會存在一個特定溫度，當高于這個溫度時，量子糾纏就會消失。
不是指數級變小，是直接變成0。
他們將這一現象稱為量子糾纏“突然死亡”（sudden death）。
科學家們發現了這種跡象，但是一直沒有找到直接證據證明其存在。最新研究正是用數學證明方法，為該現象提供了有力證據。
Ewin Tang四人本來打算開發新的量子算法，以探索未來量子計算機的理論能力。他們的目標是為量子系統的研究提供具體的算法，這些算法能夠在量子計算機上運行，以解決與量子物理學相關的問題。
他們對自旋系統的熱平衡狀態很感興趣，這些系統是理解量子物理學和量子計算的關鍵模型。
他們希望通過這些算法來找到描述量子系統在不同溫度下行為的有效方法。
今年2月， Tang和Moitra開始與Ainesh Bakshi和Allen Liu著手研究這個問題。他們開發了一種量子算法，能夠解決自旋系統中的很多問題。
研究小組決定把重點放在相對較高的溫度上。因為他們懷疑在這種情況下，會存在快速量子算法。
很快，他們就找到了一種方法，能將學習理論中的一種舊技術改造成一種新的快速算法。
但是當他們寫論文時，另一個小組得出了相似的結果。
這讓團隊有點失望。
于是他們和馬德里理論物理研究所的物理學家álvaro Alhambra取得聯系。他們希望Alhambra能幫他們找出兩項研究之間的差異。
結果無心插柳柳成蔭，Alhambra發現他們研究中的一個步驟證明了熱平衡下的任何自旋系統中，量子糾纏在一定溫度以上可以完全消失。
這非常重要。
于是研究小組快速修改了論文方向。
這是從2000年左右以來，首次找到了直接證明量子糾纏“突然消失”的工作。
因為系統越大，溫度越高，才有可能看到糾纏消失。
而且他們還證明，量子糾纏突然消失的溫度，不取決于系統中原子的總數，而是與鄰近原子間的相互作用有關。
不過目前這一結果只是在數學模型中得到證明，還需要進一步探索。
對此，團隊作者之一Moitra表示他們對前景非常樂觀。
在這個探索過程中，會有更crazy的新算法被發現。
參考鏈接：
https://www.quantamagazine.org/computer-scientists-prove-that-heat-destroys-entanglement-20240828/
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