從沒學(xué)過量子算法，首次相關(guān)工作就證明量子物理難題！

MIT計算機科學(xué)家，利用數(shù)學(xué)方法發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度到達一定值后，熱量導(dǎo)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(xié)議都將失效，系統(tǒng)從量子行為轉(zhuǎn)變?yōu)榻?jīng)典行為。

比如量子計算機正是利用量子糾纏實現(xiàn)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(yōu)勢將不復(fù)存在，性能或許和經(jīng)典計算機相當(dāng)。

在此之前，學(xué)界已經(jīng)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(xué)家們提供的數(shù)學(xué)證明，為這一現(xiàn)象提供了更加全面和嚴謹?shù)恼撟C。

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(xué)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(jié)果無意間證明了這一物理學(xué)問題。

他們覺得，自己的優(yōu)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(xué)家薛定諤發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原子等量子粒子相互作用時，它們會放棄各自的身份，轉(zhuǎn)而形成比各部分之和更大、更奇怪的集體狀態(tài)。

這就是量子糾纏。

在理想的量子系統(tǒng)中，人們對糾纏的理解相對清晰，然而在現(xiàn)實世界中，情況要復(fù)雜得多。

當(dāng)溫度較低時，量子糾纏能夠在較遠距離傳播，展現(xiàn)出量子世界的奇妙特性。但隨著溫度升高，這種脆弱的聯(lián)系就會遭到破壞。

學(xué)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(tǒng)中，會存在一個特定溫度，當(dāng)高于這個溫度時，量子糾纏就會消失。

不是指數(shù)級變小，是直接變成0。

他們將這一現(xiàn)象稱為量子糾纏“突然死亡”（sudden death）。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這種跡象，但是一直沒有找到直接證據(jù)證明其存在。最新研究正是用數(shù)學(xué)證明方法，為該現(xiàn)象提供了有力證據(jù)。

Ewin Tang四人本來打算開發(fā)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(tǒng)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(xué)相關(guān)的問題。

他們對自旋系統(tǒng)的熱平衡狀態(tài)很感興趣，這些系統(tǒng)是理解量子物理學(xué)和量子計算的關(guān)鍵模型。

他們希望通過這些算法來找到描述量子系統(tǒng)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(fā)了一種量子算法，能夠解決自旋系統(tǒng)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(xué)習(xí)理論中的一種舊技術(shù)改造成一種新的快速算法。

但是當(dāng)他們寫論文時，另一個小組得出了相似的結(jié)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(xué)家álvaro Alhambra取得聯(lián)系。他們希望Alhambra能幫他們找出兩項研究之間的差異。

結(jié)果無心插柳柳成蔭，Alhambra發(fā)現(xiàn)他們研究中的一個步驟證明了熱平衡下的任何自旋系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)中原子的總數(shù)，而是與鄰近原子間的相互作用有關(guān)。

不過目前這一結(jié)果只是在數(shù)學(xué)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(fā)現(xiàn)。