经典物理与量子物理不再泾渭分明?科学家最新发现宏观混沌现象和量子纠缠之间的联系

作者: James Propp

来源: DeepTech深科技

发布日期: 2016-07-15

科学家通过实验发现,经典物理中的混沌现象与量子物理中的量子纠缠现象之间存在联系,这一发现可能成为经典力学和量子力学最终融合的契机。

经典力学和量子力学,在几乎所有人的理解里,都是自称一体的两个体系,如同波粒二象性理论出现之前的粒子和波。而于7月11日发表在《自然·物理》杂志上的一篇论文,带来了一点全新的契机,他们发现量子纠缠态和经典混乱度之间存在联系。而经典力学和量子力学的最终融合,说不定就会从这么一点契机开始。

基于小型量子计算机的实验揭示了量子纠缠(左)和经典混沌现象(右)之间的联系。借助一个由3个超导量子比特组成的小量子计算机,加利福尼亚大学圣芭芭拉分校和谷歌的科学家联合发现,之前被认为无关的两个现象——属于经典物理的混沌现象和属于量子物理的量子纠缠现象——之间存在联系。这一发现意味着可以借助对可控量子系统的研究来揭示特定自然现象的机理。

该项工作的相关论文于7月11日发表在了《自然·物理》杂志上,加利福尼亚大学圣芭芭拉分校物理系科研人员查尔斯·尼尔为第一作者。经典物理学发源自15世纪,其研究对象是尺寸大于原子和分子的系统的特性,它的体系包括牛顿力学、电动力学、相对论、热力学和混沌理论,其中混沌理论研究的对象是对初始条件非常敏感,以至于几乎不可能预测其行为的系统。

但是,经典物理难以解释尺寸小到分子和原子量级的系统的运动规律。因此,20世纪早期诞生了量子物理。量子物理理论相当反直觉,比如量子叠加原理——一个粒子可以同时出现在多个地方,还有量子纠缠——简单地说,两个粒子若处于纠缠态,则他们的自旋状态必然是一正一反,不过在测量之前,我们不知道任何一个粒子的自旋状态。

为了研究混沌和量子纠缠的关系,科学家们制造了一个包含3个量子比特的量子计算机。普通计算机的比特在某个时刻只能处于一种状态——0或1,但是一个量子比特可以处于一种既是0又是1的叠加态。此外,多个量子比特可以形成量子纠缠,这样,对其中一个量子比特的状态进行测量,也就知道了其他量子比特的状态。

实验中,量子比特纠缠熵(纠缠程度)的分布图随着时间的推移会发生变化。经典力学下的混沌系统随着时间的推移,混沌程度的分布图也会发生变化。奇妙的是,量子比特纠缠熵分布图和经典物理系统的混沌程度分布图越来越像,其中低纠缠度的区域对应着低混沌度的区域。

该实验结果意味着,几乎所有量子系统,包括量子计算机,如果你让其持续运行,那么经过一段时间后,系统的状态总是可以达到量子级别的平衡态,量子比特之间的纠缠特性能够用经典物理体系下的热力学和混沌理论来描述。该研究成果对量子计算机的研究有重大影响。

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