經典力學和量子力學，在幾乎所有人的理解中，是兩個自稱一體的體系，就像波粒二象性理論出現(xiàn)之前的粒子和波一樣。
7月11日發(fā)表在《自然·物理學》雜志上的一篇論文帶來了新的機遇。 他們發(fā)現(xiàn)了量子糾纏和經典混沌之間的聯(lián)系。 經典力學與量子力學的最終融合或許就是從這樣的契機開始的。
基于小型量子計算機的實驗揭示了量子糾纏（左）和經典混沌現(xiàn)象（右）之間的聯(lián)系。圖片來源：加州大學圣塔芭芭拉分校
借助由三個超導量子位組成的小型量子計算機，來自加州大學圣塔芭芭拉分校和谷歌的科學家共同發(fā)現(xiàn)了兩種此前被認為無關的現(xiàn)象——經典物理中的混沌和量子物理中的混沌。 量子糾纏現(xiàn)象——有聯(lián)系。
這一發(fā)現(xiàn)意味著可控量子系統(tǒng)的研究可以用來揭示特定自然現(xiàn)象的機制。
與這項工作相關的論文于7月11日發(fā)表在《自然·物理學》雜志上。加州大學圣塔芭芭拉分校物理系研究員查爾斯·尼爾（ Neill）為第一作者。 “這種聯(lián)系讓我們感到驚訝，因為主流理論認為混沌是經典物理下的一個概念。之前沒有人想到會在量子系統(tǒng)中觀察到混沌。同樣，經典物理系統(tǒng)下也不存在糾纏的概念。但我們的實驗結果證實，混沌和糾纏顯然是相關的。”
經典物理學起源于15世紀。 其研究對象是比原子、分子更大的系統(tǒng)的特征。 其體系包括牛頓力學、電動力學、相對論、熱力學和混沌理論。 混沌理論的對象是初始條件非常敏感以至于幾乎不可能預測其行為的系統(tǒng)。
天氣是一個典型的混沌系統(tǒng)。 任何地方的實際天氣數(shù)據(jù)與輸入到預測模型中的值只是略有不同，這足以使天氣預報結果以及您的假期安排無效，無論您在地球上的哪個地方。 地點。
然而，經典物理學很難解釋小至分子、原子級別的系統(tǒng)的運動規(guī)律。
于是，量子物理學在20世紀初誕生了。 量子物理理論是相當反直覺的物理學的量子糾纏原理，比如量子疊加原理——一個粒子可以同時出現(xiàn)在多個地方，還有量子糾纏——簡單地說，如果兩個粒子處于糾纏態(tài)，它們的自旋態(tài)一定是相同。 贊成和反對，但我們在測量之前不知道任何粒子的自旋狀態(tài)。
然而，如果兩個粒子之間的距離延伸到任何距離物理學的量子糾纏原理，甚至跨越整個宇宙，只要測量到一個粒子的狀態(tài)，就會立即確定另一個粒子的自旋狀態(tài)。
就好像被測量的粒子立即通知另一個粒子其狀態(tài)，導致其將其狀態(tài)設置為與被測量的粒子相反的狀態(tài)。
一個自然的想法是：經典物理和量子物理之間有什么聯(lián)系？ 尼爾表示，所有物理系統(tǒng)本質上都是量子系統(tǒng)，但目前還沒有合適的量子物理理論來描述物體的混沌運動狀態(tài)，比如空氣分子在幾乎真空的房間里的運動。
論文的另一位作者、芭芭拉大學和谷歌研究員 ( ) 想象了一個場景：一個充滿空氣分子的氣球，你給每個分子貼上標簽來跟蹤它的路徑，然后打開氣球的嘴，將氣體分子釋放到真空中房間。 一種可能的結果是分子聚集在一起并遵循相同的軌跡，成團地在房間里移動。
不過，按照常理來說，這樣的結果不太可能發(fā)生。 一般來說，單個分子會以不同的速度向不同的方向移動，從墻壁上反彈，并與其他分子碰撞。 結果，整個房間將充滿空氣分子。
最終，分子將均勻分布在整個房間內，而這個過程是混亂的。 但在量子物理體系中，并沒有可靠的理論來描述這個過程，因為描述量子力學的數(shù)學工具和描述混沌的牛頓力學不是一回事。
為了研究混沌與量子糾纏之間的關系，科學家們建造了一臺包含3個量子比特的量子計算機。 普通計算機中的一個位一次只能處于一種狀態(tài)——0或1，但量子位可以處于0和1的疊加狀態(tài)。
此外，多個量子位可以形成量子糾纏，這樣測量一個量子位的狀態(tài)也就可以知道其他量子位的狀態(tài)。 尼爾使用電脈沖來改變這些量子位的狀態(tài)，使它們相互作用、旋轉并形成一個對初始狀態(tài)高度敏感且可以用經典物理學描述的系統(tǒng)。
在實驗中，量子位糾纏熵（糾纏程度）的分布圖隨時間變化。 經典力學下的混沌系統(tǒng)隨著時間的推移，混沌程度的分布圖也會發(fā)生變化。 奇怪的是，量子比特糾纏熵分布圖越來越類似于經典物理系統(tǒng)的混沌度分布圖，其中低糾纏區(qū)域對應于低混沌區(qū)域。
研究人員發(fā)現(xiàn)，量子糾纏和混沌密切相關。 具體來說，兩種效應之間的相互作用使得系統(tǒng)最終服從熱力學定律。
實驗結果意味著，幾乎所有的量子系統(tǒng)，包括量子計算機，如果讓它們繼續(xù)運行，那么經過一段時間后，系統(tǒng)的狀態(tài)總能達到量子級的平衡狀態(tài)，而量子比特之間的糾纏性質可以用經典物理系統(tǒng)下的熱力學和混沌理論來描述。
研究成果對量子計算機研究產生重大影響。 由3個量子位組成的量子計算機還比較弱，但科學家們正在不斷創(chuàng)造具有更多量子位的計算機。 它們功能極其強大，可以解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題，例如機器學習、人工智能和流體學。 力學、計算化學等
尼爾表示，只要創(chuàng)建更大的實驗系統(tǒng)，就可以進一步研究人類完全無法進入的新領域。
翻譯：離子心
參考：DOI：10.1038/，
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