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!

2020-10-18 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概率的波函數。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幹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。

博科園|Copyright Science X Network/Lisa Zyga,Phys

參考期刊《物理評論X

DOI: 10.1103/PhysRevX.9.031009

博科園|科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學哦

相關焦點

  • 量子糾纏是如何實現的?量子糾纏的定義
    量子糾纏是如何實現的?先說一下量子糾纏的定義  它是量子力學理論的一個著名預測 。
  • 量子?糾纏?量子糾纏到底是什麼?
    量子糾纏很不同卻也難以理解,不過也有方法可以讓它很容易被理解。加拿大多倫多大學的艾瑪爾(Amar Vutha)的解釋如下:圖解:糾纏是粒子性質間的一種「量子糾正」。(示意圖如上)量子計算機、量子密碼學和與量子相關的東西都經常在新聞中被報導。關於他們的文章不可避免的都會提到糾纏,量子物理學的性質使得這些神奇的裝置成為現實。愛因斯坦將糾纏稱為「幽靈般的超距作用」,這個名字逐漸被人們了解認識。遠遠超過建造量子計算機、在其他方面理解和利用糾纏也是非常有用的。
  • 什麼是量子力學?什麼是量子糾纏?為什麼說量子力學很詭異?
    量子力學是描寫原子和亞原子尺度的物理學理論 。該理論形成於20世紀初期,徹底改變了人們對物質組成成分的認識。微觀世界裡,粒子不是撞球,而是嗡嗡跳躍的概率雲,它們不只存在一個位置,也不會從點A通過一條單一路逕到達點B 。根據量子理論,粒子的行為常常像波,用於描述粒子行為的「波函數」預測一個粒子可能的特性,諸如它的位置和速度,而非確定的特性。
  • 什麼是量子,什麼是量子糾纏,什麼是量子化,量子產品健康應用
    量子一詞來自拉丁語quantus,意為「有多少」,代表「相當數量的某物質」,它最早是由德國物理學家M·普朗克在1900年提出的。後來的研究表明,量子化現象主要表現在微觀物理世界。描寫微觀物理世界的物理理論是量子力學。
  • 科普:什麼是量子糾纏和量子計算?
    神奇的量子糾纏  量子世界很神奇,比如在量子通信中起著重要作用的「量子糾纏」,曾被愛因斯坦等科學家稱作「幽靈般的超距離作用」。美國科學家、諾貝爾物理學獎獲得者弗蘭克·維爾切克曾用《格林童話》中《兩兄弟》故事打比方:「量子糾纏」就像一對有「心靈感應」的雙胞胎,長得分不清彼此;他們也心靈相通,即便天各一方,弟弟有難,哥哥即刻得知。  量子糾纏是一種違反經典物理常識的量子現象。
  • 科普|走進神奇的量子世界
    這能力有多強,大家可以想像一下幾十個孫悟空打妖怪。舉個例子,如果我們分解一個300位的大數,用現在的計算機,需要15萬年,用量子的分身術幫我們並行運算,只要一秒鐘就可以算出來。說到這裡,大家是不是覺得量子很神奇?其實還不止於此,神奇的量子還有兩個怪癖,不可分割、不可克隆。別嫌它古怪,要想做量子保密通信還真得靠它的這兩個不可以。
  • 量子世界是非常神奇的世界,是平行的世界
    但是量子世界是非常神奇的世界,是平行的世界。如果用量子世界來做計算的話就能夠秒算,把所有的可能性一下子算出來,因為量子世界有它本真的平行性,這是量子計算最基本的概念但是在量子世界裡面,一個粒子同時穿過左孔,又穿過右孔,處在某一種疊加的狀態。一個量子比特講不清是0還是1,它是處在0和1疊加的狀態裡面。大家聽一個比喻,薛丁格貓就處在死和活的疊加狀態裡面。這是一種非常奇妙的現象。但是由於這種基本的現象,說明一個量子的比特本身是不太穩定的,你去觀察一下周圍就知道它要不就是在左邊,要不就是在右邊,要不是0,要不就是1,任何一個噪聲就會對量子比特產生很大的幹擾。
  • 量子力學:量子糾纏現象,是否揭示了另一個世界的存在?
    量子糾纏現象的發現是愛因斯坦為了說明量子力學理論的不完備性時舉出的一個例子,量子力學中,在兩個粒子通過特定的方法成為了一個整體的情況下,這兩個粒子的性質就會變成互相關聯的狀態,人們只需觀測到其中一個粒子的性質,就可以得知另一個粒子的情況。
  • 記者體驗:走進神奇的量子世界
    記者體驗:走進神奇的量子世界 科技頻道來源:央視網 2016年08月15日 22:28 A-A+ 下層是電源、測控等常規的衛星平臺;現在我們把上層的這四個量子衛星特有的部件展開來看一看,這個是量子密鑰通信機,主要負責發射作為密鑰的單個光子,這個是量子糾纏源,主要負責生成呈糾纏狀態的成對光子,這個是量子糾纏發射機,主要負責和量子密鑰通信機一起把呈糾纏狀態的兩個光子同時發射到兩個地面站,這個是量子試驗控制與處理機,是實驗任務的控制和處理系統。
  • 量子糾纏的超距作用和瞬時信息傳遞與量子退相干的本質
    量子糾纏:在量子力學裡,當幾個粒子在彼此相互作用後,由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質,則稱這現象為量子纏結或量子糾纏(quantum entanglement)。
  • 量子通信要了解基於量子糾纏的量子通信系統
    概率論,量子數學和量子力學也要學習。量子信息包括量子資訊理論,量子邏輯和量子理論。量子通信要了解基於量子糾纏的量子通信系統,可以是光纖和無線電子。量子計算,主要是數學方面,主要包括量子場論,量子退火理論和高維拓撲場論。量子力學,主要包括基礎概念qed,薛丁格方程和量子力學的基本方程。
  • 在神奇的量子世界,時空穿越、瞬間移動、心靈感應等存在嗎?
    宇宙微觀世界神秘而神奇,跟我一起暢遊神奇的量子世界。一,何謂量子?一個物理量如果存在最小的不可分割的基本單位,則這個物理量是量子化的,並把最小單位稱為量子。量子糾纏是指:當幾個粒子在彼此相互作用後,由於各個粒子所擁有的特性已綜合成為整體性質,無法單獨描述各個粒子的性質,只能描述整體系統的性質,則稱這現象為量子糾纏。
  • 量子糾纏原理
    量子糾纏究竟是什麼原理量子糾纏是指量子態的一種性質。它是量子力學疊加原理的後果。量子糾纏是粒子在由兩個或兩個以上粒子組成系統中相互影響的現象。即使相距遙遠距離,一個粒子的行為將會影響另一個的狀態 。當其中一顆被操作(例如量子測量)而狀態發生變化,另一顆也會即刻發生相應的狀態變化 。
  • 量子糾纏現象,是否暗示了一個「反宇宙」的存在?
    在量子力學中,在兩個粒子通過特定的方法成為了一個整體的情況下,這兩個粒子的性質就變成了互相關聯的狀態,我們只需要觀測到其中一個粒子的性質,就可以知道另一個粒子的情況了。這種現象就被稱為量子糾纏現象。而真正讓人們好奇的是,在把兩個處於量子糾纏態的粒子分開之後,不管距離多遠,它們之間仍然會保持著這種互相關聯的狀態,當你觀測其中的一個粒子時,另一個粒子會馬上「感應」到這種情況,並瞬間做出相應的改變。
  • 量子糾纏新發現:令人毛骨悚然的神奇現象
    不了解它的人可能會認為這又是老生常談了,明明用普通概率論就能輕易解釋。而對於了解的人來說,它是一種令人毛骨悚然的神奇現象,以頗為神秘的方式解釋現實的本質。事實上,量子糾纏兼具以上兩種特點。如果拋開現實世界的運作原理不談,那麼量子糾纏可以用普通概率理論來解釋。
  • 量子理論、量子糾纏和量子加密通信
    量子計算和量子通信都基於量子糾纏,量子會不會發生糾纏?
  • 神秘的量子力學現象—量子糾纏
    這是量子糾纏,量子糾纏似乎破壞了經典物理學的一些基本規則:沒有什麼東西可以比光傳播得快,它只會受到周圍環境的影響。科學家們無法解釋這些粒子是如何聯繫在一起的。是蟲洞嗎?未知的維度?還是愛的力量?現在科學家們嘗試新的實驗:將量子粒子從地面傳送到衛星上,再建立一個分銷渠道,允許每秒傳輸數上萬個光子糾纏對。如果實驗成功。那麼衛星就可以用於量子通信了。
  • 量子通信還是量子加密通信?
    說到量子,它並不是存在的一種粒子。我們知道,在微觀世界裡,一個粒子可以由更小的粒子構成,例如原子是原子核和電子構成,原子核由中子和質子構成。如果一個粒子小到不可再分(依據現有科學技術),那麼它也許是最基本的單位,稱之為量子。如果考慮到電磁波的載體是光子,而光子不可再分,所以光子就是量子?或許可以稱之為光量子。
  • 量子為什麼會糾纏?量子糾纏的原理?量子糾纏的原因?
    兩個糾纏的量子實際上沒有空間,無論相隔多遠,它們之間都沒有空間,所以他們之間怎麼會有時間?肯定是瞬間到達。任何物質、粒子都是由兩部分組成,包括:一、內部信息,二、外部信息。你的肉眼看見的只是物質外部表皮的顯現,你看不見物質內部信息、外部信息!內部信息在物質裡面,通過儀器可以測量。外部信息擴散在茫茫宇宙,目前科學家測不到。
  • 量子糾纏信息傳遞速度真的超過光速嗎?
    有共同來源的兩個微觀粒子之間,只要有一個粒子發生改變,就能立刻影響到另一個粒子,當其中一顆狀態發生變化時,另外一顆也會立即發生相應的變化,以電子為例,自旋是電子的基本性質之一,自旋有兩種指向——朝上或者朝下,觀測前我們沒法確定兩個糾纏狀態的電子處於哪一個狀態,事實上它們正處於兩種狀態的「疊加態」,只有當觀測行為發生時,我們才能確定其自旋狀態,就像一枚旋轉的硬幣,只有在停下來的那一刻,我們才能知道究竟