觀察量子系統(tǒng)的簡(jiǎn)單行為可以改變系統(tǒng)的性質(zhì)

許多著名的實(shí)驗(yàn)表明，觀察量子系統(tǒng)的簡(jiǎn)單行為可以改變系統(tǒng)的性質(zhì)。例如，當(dāng)有人偷看箱子后，薛定諤的貓變得死或活(但不再兩者)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“觀察者效應(yīng)”。該觀察破壞了貓的狀態(tài)的疊加，或者換言之，折疊了描述貓?zhí)幱趦煞N狀態(tài)中的每一種狀態(tài)的概率的波函數(shù)。

在一篇新論文中，物理學(xué)家進(jìn)一步研究了測(cè)量如何影響量子 糾纏，在這種情況下，量子糾纏等于系統(tǒng)疊加的程度。以前的研究表明，當(dāng)量子系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)化而沒(méi)有任何外界干擾時(shí)，它的糾纏程度趨于增加。也就是說(shuō)，量子系統(tǒng)傾向于隨時(shí)間漂移到具有大量量子疊加的狀態(tài)。

另一方面，對(duì)纏結(jié)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量?jī)A向于減少其纏結(jié)。發(fā)生這種情況是因?yàn)閷?duì)自旋狀態(tài)的測(cè)量(例如)將旋轉(zhuǎn)折疊成一定的狀態(tài)，這導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)從其他旋轉(zhuǎn)中解開(kāi)，其狀態(tài)保持疊加。這減少了整個(gè)系統(tǒng)中的糾纏量。

在新論文中，物理學(xué)家通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和理論論證證明，當(dāng)測(cè)量速率超過(guò)臨界值時(shí)，會(huì)發(fā)生測(cè)量引起的相變。這導(dǎo)致系統(tǒng)從“纏結(jié)”階段急劇轉(zhuǎn)變，其中纏結(jié)量隨時(shí)間連續(xù)增長(zhǎng)，到“解纏結(jié)”階段，其中一些纏結(jié)仍然存在，但其增長(zhǎng)率下降到零。

物理學(xué)家，麻省理工學(xué)院的Brian Skinner，麻省理工學(xué)院和Bar-Ilan大學(xué)的Jonathan Ruhman以及牛津大學(xué)的Adam Nahum在最近一期物理評(píng)論X中發(fā)表了關(guān)于糾纏相變的論文。

“物理學(xué)取得的巨大成功之一就是能夠描述相變 - 當(dāng)一些外部參數(shù)變化時(shí)材料特性的突然變化，就像水在低于32華氏度時(shí)突然凍結(jié)成冰，”Skinner告訴Phys.org。“我們已經(jīng)表明，這種語(yǔ)言可以應(yīng)用于涉及量子糾纏的動(dòng)態(tài)過(guò)程。也就是說(shuō)，糾纏增長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)特性也具有作為外部參數(shù)函數(shù)的相變，外部參數(shù)是測(cè)量的速率。對(duì)我們來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)美麗而令人驚訝的聯(lián)系!“

研究人員根據(jù)滲流理論中一個(gè)著名的問(wèn)題“被破壞的電阻網(wǎng)格”開(kāi)發(fā)了一個(gè)這種測(cè)量誘導(dǎo)相變的模型。在這個(gè)問(wèn)題中，破壞者試圖找到最小數(shù)量的鍵(稱(chēng)為“最短路徑”或“最小切割”)以切斷電網(wǎng)以完全斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)。研究人員表明，計(jì)算量子系統(tǒng)中糾纏熵的問(wèn)題等同于這個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，其中的目標(biāo)是通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)分成兩部分的無(wú)序網(wǎng)絡(luò)找到最小的切割。

在糾纏系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)代表量子系統(tǒng)，每個(gè)測(cè)量代表斷開(kāi)其中一個(gè)鍵。系統(tǒng)中的糾纏程度由該網(wǎng)絡(luò)中的最小切割的大小確定，即，為了將系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的其余部分分離，必須斷開(kāi)的未破壞的聯(lián)合的總數(shù)。從某種意義上說(shuō)，這個(gè)數(shù)字表示在糾纏系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饫p結(jié)階段之前可以進(jìn)行多少次測(cè)量。由于不同的網(wǎng)絡(luò)具有不同的數(shù)量和鍵的排列，因此不同系統(tǒng)的臨界測(cè)量速率不同。

物理學(xué)家期望在糾纏動(dòng)力學(xué)中理解這種測(cè)量引起的相變可能對(duì)開(kāi)發(fā)量子系統(tǒng)的模擬有用。糾纏在確定在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上模擬量子動(dòng)力學(xué)的難度方面起著重要作用。結(jié)果，糾纏到解纏結(jié)的相變意味著存在用于模擬的易于硬轉(zhuǎn)換。這可以讓研究人員更好地預(yù)測(cè)模擬的難度并尋找更容易的替代方案。

“我們的發(fā)現(xiàn)立即暗示了使用經(jīng)典計(jì)算機(jī)模擬量子系統(tǒng)的難度，”斯金納說(shuō)。“對(duì)于量子計(jì)算方案而言，這可能也很重要，因?yàn)榱孔佑?jì)算方案往往依賴于維持遠(yuǎn)程糾纏。”

在未來(lái)，研究人員計(jì)劃研究他們的模型是如何普遍的。

“在數(shù)學(xué)上有不同的描述量子糾纏的方法，”斯金納說(shuō)。“我們展示的是這些描述中的一個(gè)完全類(lèi)似于經(jīng)典的滲透問(wèn)題。但是現(xiàn)在還不清楚這個(gè)類(lèi)比是如何通用的，以及其他描述糾纏的方式是否屬于同一個(gè)'普遍性類(lèi)'?，F(xiàn)在的首要任務(wù)是確定類(lèi)比是否只是在一些人為的情況下起作用的近似值，或者它是否在廣泛的描述和實(shí)驗(yàn)設(shè)置中是完全通用的。