本文的原版出现在《Quanta Magazine》。将近一个世纪前，物理学家厄温·薛定谔引起了研究人员对量子世界中一个怪癖的关注，这自那时以来一直令研究人员着迷并困扰。当诸如原子等量子粒子相互作用时，它们抛弃了各自的个体身份，形成了一种比各部分总和更大且更奇怪的集体状态。这种现象被称为纠缠。研究人员对仅包含少量粒子的理想化系统中纠缠的工作原理有了坚定的理解。但现实世界更加复杂。
在像组成我们所见和接触的物质的原子大数组中，量子物理学定律与热力学定律相竞争，事情变得混乱。在极低温度下，纠缠可以跨越长距离传播，包围许多原子并引起超导等奇怪现象。然而，加热后，原子会抖动，扰乱连接纠缠粒子的易碎链接。物理学家长期以来一直在努力确定这一过程的细节。现在，由四位研究人员组成的团队证明了纠缠不仅会随着温度的升高而减弱。
在量子系统的数学模型中，比如物理材料中的原子阵列，总有一个特定的温度在其上方纠缠完全消失。麻省理工学院的Ankur Moitra，新研究结果的作者之一，说：“这不仅是指数级地小，而是零。”研究人员以前观察到这一行为的迹象，并称之为纠缠的“突然死亡”。但他们的证据主要是间接的。新的发现以数学上严格的方式确立了对纠缠的更强限制。
有趣的是，得出这个新结果的四位研究人员甚至不是物理学家，他们也不是为了证明关于纠缠的任何东西。他们是计算机科学家，在开发新算法时偶然发现了这个证明。无论他们的意图如何，结果已经让该领域的研究人员感到兴奋。麻省理工学院的物理学家Soonwon Choi说：“这是一个非常、非常强的声明。我感到非常印象深刻。”
寻找平衡
该团队在探索未来量子计算机的理论能力时发现了他们的发现，这些机器将利用量子行为，包括纠缠和叠加，以比我们今天所知的传统计算机快得多的速度执行某些计算。量子计算最有前途的应用之一是量子物理学本身的研究。假设你想要了解某个量子系统的行为。研究人员首先需要开发特定的程序或算法，量子计算机可以使用这些程序来回答你的问题。但并非所有关于量子系统的问题都更容易使用量子算法回答。
有些问题对传统算法同样容易，这些算法在普通计算机上运行，而其他问题对传统和量子算法都很难。为了了解量子算法及其运行的计算机何时可能提供优势，研究人员经常分析称为自旋系统的数学模型，这些模型捕捉了相互作用的原子阵列的基本行为。然后他们可能会问：当你在给定温度下将自旋系统静置时，它会做什么？它进入的状态，被称为其热平衡状态，决定了其许多其他特性，因此研究人员长期以来一直尝试开发用于寻找平衡状态的算法。
这些算法是否真正受益于量子的性质取决于所讨论的自旋系统的温度。在非常高的温度下，已知的传统算法可以轻松完成这项工作。随着温度的降低，问题变得更难，量子现象变得更强；在某些系统中，即使是量子计算机也难以在合理的时间内解决问题。但这些事情的细节仍不清楚。加州大学伯克利分校的研究人员Ewin Tang说道：“什么时候你需要进入量子空间，什么时候量子对你没有帮助？”“没有那么多已知的东西。”
2023年2月，Tang和Moitra开始与其他两位麻省理工学院的计算机科学家，一位名叫Ainesh Bakshi的博士后研究员和Moitra的研究生Allen Liu一起思考热平衡问题。在2023年，他们共同完成了一个涉及自旋系统的不同任务的突破性量子算法，然后他们寻找新的挑战。Bakshi说：“当我们在一起工作时，一切都很顺利。这真是太棒了。”
在2023年突破之前，三位麻省理工学院的研究人员从未在量子算法上工作过。他们的背景是学习理论，这是计算机科学的一个子领域，专注于统计分析的算法。但像每个地方的雄心勃勃的新人一样，他们将自己的相对无知视为优势，这是一种以全新视角看待问题的方法。Moitra说：“我们的一个优势是我们不太懂量子。我们唯一知道的量子是Ewin教我们的。”
该团队决定专注于研究人员怀疑存在快速量子算法的相对高温环境，尽管没有人能够证明这一点。很快，他们找到了将学习理论中的一种旧技术改编为一种新快速算法的方法。但在他们撰写论文时，另一组提出了相似的结果：证明了前一年开发的一种有前途的算法在高温下运行良好。他们被抢先了。
突然死亡重生
Tang和她的合作者有点沮丧，因为他们排在第二名，他们开始与马德里理论物理研究所的物理学家Álvaro Alhambra，竞争论文的作者之一进行通讯。他们想要弄清楚各自独立实现的结果之间的区别。但当Alhambra阅读这四位研究人员的初步证明草稿时，他惊讶地发现他们在中间步骤中证明了另一点：在任何热平衡状态下的自旋系统中，纠缠在某个温度上完全消失。Alhambra说：
“我告诉他们，‘哦，这非常非常重要。’”团队迅速修改了草稿，以突出这个意外的结果。Moitra说：“事实证明这正是我们算法自然而然的结果。我们得到了比我们预期更多的东西。”自2000年代以来，研究人员在普通经典计算机上的实验和模拟中观察到了这种纠缠的突然死亡现象。但之前的工作都无法直接测量纠缠的消失。他们还仅在小系统中研究了这种现象，而这些系统并不是最有趣的。Alhambra说：
“可能对于越来越大的系统，你必须去更高的温度以看到缺乏纠缠。”在那种情况下，突然死亡现象可能在如此高的温度下发生，在实际材料中无关紧要。2003年之前的唯一理论限制留下了这种可能性。相反，Tang和她的合作者表明，纠缠消失的温度不依赖于系统中原子的总数。唯一重要的是邻近原子之间相互作用的细节。他们在证明中使用的方法本身也不寻常。大多数寻找热平衡状态的算法受到了实际物理系统接近平衡的方式的启发。
但Tang和她的团队使用的是远离量子理论的技术。“这篇论文的奇妙之处就在于此，”加州大学伯克利分校的计算机科学家Nikhil Srivastava说。“这个证明几乎忽略了物理学。”探索仍在继续
这四位研究人员对高温自旋系统缺乏任何纠缠的证明有助于解释他们新算法的另一个有趣特征：它实际上几乎没有量子部分。确实，该算法的输出——自旋系统在热平衡中的方向的完整描述——过于庞大而无法在经典机器上存储。
但生成该输出的最后一步之外，算法的每个部分都是经典的。刘说：“这实际上是最平凡的量子计算。”在发现“去量子化”结果方面，Tang有着悠久的记录——证明许多问题实际上不需要量子算法。这次她和她的合作者并没有尝试这样做，但他们偶然发现的纠缠消失证明相当于去量子化的一个更极端版本。这不仅仅是量子算法在一种涉及高温自旋系统的特定问题上没有任何优势——这些系统根本没有任何量子特性。
但这并不意味着量子计算研究人员应该失去希望。最近的两篇论文确定了一些低温自旋系统的例子，其中量子算法在测量平衡状态时优于经典算法，尽管这种行为的普遍性仍有待观察。尽管Bakshi和他的合作者证明了一个否定的结果，但他们使用的方法却表明，富有成效的新想法可以来自意想不到的地方。Moitra说：“我们可以乐观地认为会有新的疯狂算法被发现。”“并且在这个过程中，我们可以发现一些美丽的数学。”本文原文已获得《Quanta Magazine》，Quanta杂志是西蒙斯基金会的一个独立出版物，其使命是通过报道数学、物理和生命科学的研究发展和趋势来增强公众对科学的理解的许可后重新刊载