纯数学方法证明量子纠缠会突然消失！MIT科学家无心插柳提供论证

从没学过量子算法，首次相关工作就证明量子物理难题！MIT计算机科学家，利用数学方法发现，当温度到达一定值后，热量导致量子纠缠完全消失。量子纠缠消失，意味着任何基于这种纠缠的量子计算或量子通信协议都将失效，系统从量子行为转变为经典行为。比如量子计算机正是利用量子纠缠实现并行计算，大幅提升计算速度。如果量子纠缠消失，那么量子计算机的优势将不复存在，性能或许和经典计算机相当。

在此之前，学界已经观察到量子纠缠“突然消失”的情况，但是理解并不够深入。这次计算科学家们提供的数学证明，为这一现象提供了更加全面和严谨的论证。值得一提的是，团队4人中，有3人在2023年之前都从未研究过量子算法，他们本来是做计算机科学理论研究的。本来他们是打算探索量子计算机方面的理论，结果无意间证明了这一物理学问题。他们觉得，自己的优势就在于对量子物理知之甚少。这为研究提供一种全新的视角。在该团队中，还看到了华人面孔。四位成员分别是：Ewin Tang、Allen Liu、Ainesh Bakshi和Ankur Moitra 。

近一个世纪前，物理学家薛定谔发现，当原子等量子粒子相互作用时，它们会放弃各自的身份，转而形成比各部分之和更大、更奇怪的集体状态。这就是量子纠缠。在理想的量子系统中，人们对纠缠的理解相对清晰，然而在现实世界中，情况要复杂得多。当温度较低时，量子纠缠能够在较远距离传播，展现出量子世界的奇妙特性。但随着温度升高，这种脆弱的联系就会遭到破坏。学界还观察到，量子纠缠不只是随着温度升高而减弱。在一个系统中，会存在一个特定温度，当高于这个温度时，量子纠缠就会消失。不是指数级变小，是直接变成0。他们将这一现象称为量子纠缠“突然死亡”（sudden death）。科学家们发现了这种迹象，但是一直没有找到直接证据证明其存在。最新研究正是用数学证明方法，为该现象提供了有力证据。

Ewin Tang四人本来打算开发新的量子算法，以探索未来量子计算机的理论能力。他们的目标是为量子系统的研究提供具体的算法，这些算法能够在量子计算机上运行，以解决与量子物理学相关的问题。他们对自旋系统的热平衡状态很感兴趣，这些系统是理解量子物理学和量子计算的关键模型。他们希望通过这些算法来找到描述量子系统在不同温度下行为的有效方法。

今年2月， Tang和Moitra开始与Ainesh Bakshi和Allen Liu着手研究这个问题。他们开发了一种量子算法，能够解决自旋系统中的很多问题。研究小组决定把重点放在相对较高的温度上。因为他们怀疑在这种情况下，会存在快速量子算法。很快，他们就找到了一种方法，能将学习理论中的一种旧技术改造成一种新的快速算法。但是当他们写论文时，另一个小组得出了相似的结果。这让团队有点失望。于是他们和马德里理论物理研究所的物理学家Álvaro Alhambra取得联系。他们希望Alhambra能帮他们找出两项研究之间的差异。结果无心插柳柳成荫，Alhambra发现他们研究中的一个步骤证明了热平衡下的任何自旋系统中，量子纠缠在一定温度以上可以完全消失。于是研究小组快速修改了论文方向。这是从2000年左右以来，首次找到了直接证明量子纠缠“突然消失”的工作。因为系统越大，温度越高，才有可能看到纠缠消失。而且他们还证明，量子纠缠突然消失的温度，不取决于系统中原子的总数，而是与邻近原子间的相互作用有关。不过目前这一结果只是在数学模型中得到证明，还需要进一步探索。对此，团队作者之一Moitra表示他们对前景非常乐观。在这个探索过程中，会有更crazy的新算法被发现。

参考链接：

https://www.quantamagazine.org/computer-scientists-prove-that-heat-destroys-entanglement-20240828/