测试量子计算机,在量子计算机上测试新的物理规则:挑战百年来关于量子信息的观念...

2023-11-02 21:10

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发表在今天的《自然》杂志下的《通信物理学》上,题为:“用超导量子处理器打破宇称时间对称性的量子模拟”的论文报告说,科学家在量子计算机上测试了新的物理规则,挑战了100年来关于量子信息的观念。

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物理学家在量子计算机上测试了什么样的新的物理规则?为什么挑战了100年来关于量子信息的观念?这得要从100年来量子力学关于量子信息的数学运算符,与宇称时间对称性的基本概念简单说起。

量子物理学的规则描述微观事物的行为,它通过一个称为厄米哈密顿量(Hermitian Hamiltonians)的数学运算符来描述。在量子力学中,哈密顿算符为一个可观测量,对应于系统的总能量。如其它所有算符,哈密顿算符的谱为测量系统总能是所有可能结果的集合。哈密顿算符已经为量子物理学提供了将近100年的支持。

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在量子力学里,厄米算符(Hermitian operator)又称自伴算子或自伴算符,是一种等于自己的厄米共轭的算符。给予算符和其伴随算符,假设这两者相等,则称前者为厄米算符。厄米算符的期望值可表示量子力学中的物理量。

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量子力学中的力学量用算符来表示,而实验上的可观测的物理量用厄米算符来表示。因此,要弄清物理量的特点,研究厄米算符的性质就显得尤为重要。在很多量子力学教材中,算符的厄米性通常被认为主要是对算符的限制,而很少关注或说明算符的厄米性对波函数的限制,甚至有很多不准确的表述。其实,为了保证算符的厄米性,常常要求波函数满足一定的条件。

最近,理论物理学家意识到,可以将其基本方程扩展到使用非厄米的厄米算符。非厄米算符指量子力学的哈密顿量不是厄米的。值得注意的是,它们出现在耗散系统的研究中。而且,具有不间断的宇称时间对称性的非厄米哈密顿量,具有所有真实的本征值。

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非厄米量子力学处理两种类型的物理现象:标准哈密顿量子力学无法描述的复杂的哈密顿量现象,第二种现象只能用与时间有关的薛定谔方程来描述,其中的势可能很复杂。

1998年,物理学家发现非厄密哈密顿量具有不间断的宇称时间(parity-time,简称PT)对称性,又称奇偶时间对称性,即相对于奇偶性反转和时间反转对称算子的同时作用不变,也可能具有真实频谱。在正确定义的内积下,宇称时间对称哈密顿量的本征函数具有正范数,并表现出量子理论要求的一元的时间演化。

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这种新的见解继续越来越证明宇称时间对称性在数学上的相关性,这个论题直到它被发现后将近十年才得到充分认可。在2007年,物理学家注意到宇称时间对称性对应于光学系统中存在平衡的增益和损耗。在接下来的几年中,出现了无源和有源系统中宇称时间对称性的第一个实验,随后是许多的研究,证明了非厄米哈密顿量具有同等和时间对称、具有真实的正特征值和具有正范数的特征向量。可以实现非厄米哈密顿量的实验平台,包括光波导、偏振光子、核自旋、超导电路、振荡器、金刚石中的氮空位中心、光纤网络、和超冷费米气体等。

在非厄米哈密顿量控制的系统中,观察真正的量子效应一直是一项严峻挑战。在该研究中,研究人员通过使用涉及辅助量子位的扩张程序,在超导量子处理器上模拟了这种哈密顿量在量子状态下的演化。通过观察宇称时间对称性打破相变、获得临界指数,并表明这种转变与状态可分辨性的丧失有关。在两个量子位的设置中,研究表明纠缠可以通过本地操作进行修改。

为什么会有非厄米哈密顿量?这是由于开放系统的能量注入或损失而出现的。 但是,开放系统方法的主要缺点是需要精确控制增益和耗散,这些实验需要复杂的设置,包括增益和交替损耗,但只能观察到类似波的影响。

此外,由于增益不可避免地会增加噪声,因此根本上不可能采用增益损失系统来研究量子性质,例如熵、纠缠和相干性。因此,为了取得进展,人们将需要真正实现量子体系中非厄米动力学的实现,从而保持并允许测量微妙的量子效应。

该研究表明,可以通过使用辅助量子位并在适当定义的门的作用下扩展希尔伯特空间,在超导量子处理器中以数字方式模拟非厄米动力学。为此,研究人员结合了两种技术:适用于任何哈密顿量的通用的扩散方法和生成具有单量子位门,和最多三个CNOT的组合的任何两个量子位门的最佳方法。

这种结合使研究人员能够观察并充分表征破裂的宇称时间对称过渡,并确定非厄米量子力学与关于状态可分辨性和纠缠单调性的不可行定理之间的关系,通过利用超导处理器的新兴技术来实现这一目标。在理论物理中,一些定理的内容指出某个情况在物理上是不可能的,这样的定理被称作不可行定理(no-go theorem)。

如图所示阿尔托大学研究人员使用一台IBM量子计算机的量子电路,探索了一个被忽视的物理学领域,并挑战了100年前关于量子信息的观念。

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IBM24量子计算机最近在该技术上已显示出重大的技术进步。尽管仍不完美,但这些设备已经实现了重要的结果,例如量子误差校正、容错门、非本地奇偶性测量的演示、在开放量子中模拟范式模型系统、高纠缠图状态的创建、分子基态能量的确定、量子见证的实现、以及大型线性方程组的量子增强解。超导量子处理器的使用提供了提取所有相关的量子相关性以及有效地设计和编程所需门的可能性,以适应特定的拓扑。

该研究论文的新的方程式使用一组独特的规则描述世界:例如,通过照镜子并反转时间方向,应该会看到与真实世界相同的版本。研究人员使用量子计算机创建了一个按照这些新规则所运行的世界。

研究人员制作了量子计算机执行计算的量子比特,并根据非厄密量子力学的新规则进行研究。通过实验证明了常规厄米量子力学所禁止的几个令人兴奋的结果。第一个发现是,对量子位进行运算并不能保存量子信息,而这是标准量子理论的根本行为,从而导致了目前尚未解决的问题,譬如霍金的黑洞信息悖论。

当研究人员尝试两个纠缠的量子比特时,第二个令人兴奋的结果出现了。纠缠是出现在量子位之间的一种相关性,就如它们之间具有神奇的联系,使它们彼此之间保持同步。爱因斯坦对此概念不满意,称其为“远距离的怪异动作”。

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在常规量子物理学中,不可能通过自行改动一个粒子来改变两个粒子之间的缠结程度。但是,在非厄米量子力学中,研究人员仅通过操纵量子位中的一个就可以改变量子位的纠缠水平,这一结果在常规量子物理学中显然是不可行的。

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研究人员说:“这些结果令人兴奋的是,现在已经开发出足够量的量子计算机,可以开始将它们用于测试迄今为止仅属于数学的非常规思想。” “通过目前的工作,爱因斯坦的‘远距离诡异动作’变得更加诡异。尽管我们非常了解正在发生的事情,但它仍然给人带来不安。”

该研究的潜在应用,如最近开发的几种新颖的基于光学或微波的设备,似乎确实符合新规则,这为在量子计算机上模拟这些设备开辟了新的途径。

参考:"Quantum simulation of parity-time symmetry breaking with a superconducting quantum processor," Communications Physics(2021). https://www.nature.com/articles/s42005-021-00534-2

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