使用量子計算機來測試物理學的基本原理

一種新開發的算法為理解從量子到經典物體的轉變打開了一扇窗。

如果你能足夠仔細地觀察你周圍的物體，放大到比你用大多數顯微鏡看到的要大得多的放大倍數，你最終會發現你日常生活中熟悉的規則被打破了。當血細胞和病毒看起來很大，分子出現在視野中時，事物就不再受制於我們在高中學到的簡單物理定律。

原子——以及組成原子的電子、質子和中子——不像大理石那樣存在。相反，它們被塗抹在雲裡，如果沒有量子力學的複雜數學，這些雲很難理解，也不可能描述。

然而，原子構成了分子，而分子又是構成彈珠和我們每天接觸和看到的其他一切東西的基石。當量子物體被組裝成我們周圍熟悉的物體時，大自然顯然找到了抑制量子行為的方法。

那些遵循經典物理定律的東西——比如一個棒球或飛行中的大黃蜂——是如何由受量子規則約束的部分組成的呢？這是現代物理學中最深奧的問題之一。為了尋求答案，最近的研究——由美國能源部科學辦公室的高能物理項目資助——應該有助於闡明經典世界是如何從潛在的量子世界中浮現出來的。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室和加州大學戴維斯分校的科學家們開發了一種量子計算算法，它為我們打開了一扇新的窗戶，讓我們得以了解量子世界和經典世界之間的聯繫，以及當我們縮小到最小尺度上觀察時必然發生的轉變。

為了研究量子到經典的轉變，物理學家需要評估一個量子系統與經典行為之間的距離。在其他影響中，物理學家必須考慮這樣一個事實，即量子對象受制于波粒二象性。我們通常認為是粒子的東西，比如電子，在某些情況下可以像波一樣運動。我們認為是波的東西，比如光，可以像粒子一樣運動，我們稱之為光子。在量子系統中，粒子的波狀狀態可以相互幹擾，就像海浪有時可以疊加或相互抵消一樣。

缺乏幹涉的量子系統可以用經典規則而不是量子規則來描述。新開發的算法會搜索出無幹擾的解決方案，即所謂的一致性歷史，也就是最終在我們居住的古典現實世界中觀察到的結果。

對於只有幾個原子的系統，找到一致的歷史記錄是相當有限的。然而，對於由許多部分組成的系統，量子到經典躍遷的計算是出了名的難解。每增加一個原子，所涉及的方程式數目就急劇增加。事實上，對於不止幾個原子的系統，即使是最強大的超級計算機，計算也很快變得棘手起來。

上圖來自洛斯阿拉莫斯國家實驗室。白十字代表非幹涉量子態，它們對一個簡單的量子問題表現出經典的行為，該量子問題由洛斯阿拉莫斯國家實驗室與加州大學戴維斯分校合作開發的一致性歷史算法進行分析。這種算法使量子計算機有潛力克服研究量子到經典躍遷的挑戰，而這一挑戰幾十年來一直困擾著物理學家。

新的一致性歷史算法依賴於量子計算機來克服計算爆炸和測量如何接近經典的量子系統的行為。與操作由1和0組成的數據的傳統計算機不同，量子計算機以數字的量子組合來存儲和操作數據。就像原子以量子云的形式存在而不是在一個點上一樣，量子計算機中的數據不是單個數字，而是多個數字的疊加。

雖然強大到足以解決有意義問題的量子計算機還不存在，但理論上已經證明，它們可以實現出色的計算，在原則上比傳統計算機的運算速度要快得多。使用一致性-歷史算法，量子計算機有潛力克服研究量子到經典躍遷的困難，因為它們運行在控制原子和其他量子實體的相同規則下——這是一個困擾了物理學家幾十年的問題的一個優雅的潛在解決方案。