2019-08-01 22:27:01
测量引起纠缠系统的相变

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许多着名的实验表明,观察量子系统的简单行为可以改变系统的性质。例如,当有人偷看箱子后,薛定谔的猫变得死或活(但不再两者),这种现象被称为“观察者效应”。该观察破坏了猫的状态的叠加,或者换言之,折叠了描述猫处于两种状态中的每一种状态的概率的波函数。

在一篇新论文中,物理学家进一步研究了测量如何影响量子纠缠,在这种情况下,量子纠缠等于系统叠加的程度。以前的研究表明,当量子系统单独进化而没有任何外界干扰时,它的纠缠程度趋于增加。也就是说,量子系统倾向于随时间漂移到具有大量量子叠加的状态。

另一方面,对缠结状态进行测量倾向于减少其缠结。发生这种情况是因为对自旋状态的测量(例如)将旋转折叠成一定的状态,这导致旋转从其他旋转中解开,其状态保持叠加。这减少了整个系统中的纠缠量。

在新论文中,物理学家通过计算机模拟和理论论证证明,当测量速率超过临界值时,会发生测量引起的相变。这导致系统从“缠结”阶段急剧转变,其中缠结量随时间连续增长,到“解缠结”阶段,其中一些缠结仍然存在,但其增长率下降到零。

物理学家,麻省理工学院的Brian Skinner,麻省理工学院和Bar-Ilan大学的Jonathan Ruhman以及牛津大学的Adam Nahum在最近一期物理评论X中发表了关于纠缠相变的论文。

“物理学取得的巨大成功之一就是能够描述相变 - 当一些外部参数变化时材料特性的突然变化,就像水在低于32华氏度时突然冻结成冰,”Skinner告诉Phys.org。 “我们已经表明,这种语言可以应用于涉及量子纠缠的动态过程。也就是说,纠缠增长的动态特性也具有作为外部参数函数的相变,外部参数是测量的速率。对我们来说,这是一个美丽而令人惊讶的联系!“

研究人员根据渗流理论中一个着名的问题“被破坏的电阻网格”开发了一个这种测量诱导相变的模型。在这个问题中,破坏者试图找到最小数量的键(称为“最短路径”或“最小切割”)以切断电网以完全断开网络。研究人员表明,计算量子系统中纠缠熵的问题等同于这个优化问题,其中的目标是通过将网络分成两部分的无序网络找到最小的切割。

在纠缠系统中,网络代表量子系统,每个测量代表断开其中一个键。系统中的纠缠程度由该网络中最小切割的大小确定,即,为了将系统与网络的其余部分分开,必须断开的未破坏的键的总数。从某种意义上说,这个数字表示在纠缠系统转变为解缠结阶段之前可以进行多少次测量。由于不同的网络具有不同的数量和键的排列,因此不同系统的临界测量速率不同。

物理学家期望在纠缠动力学中理解这种测量引起的相变可能对开发量子系统的模拟有用。纠缠在确定在经典计算机上模拟量子动力学的难度方面起着重要作用。结果,纠缠到解缠结的相变意味着存在用于模拟的易于硬转换。这可以让研究人员更好地预测模拟的难度并寻找更容易的替代方案。

“我们的发现立即暗示了使用经典计算机模拟量子系统的难度,”斯金纳说。 “对于量子计算方案而言,这可能也很重要,因为量子计算方案往往依赖于维持远程纠缠。”

在未来,研究人员计划研究他们的模型是如何普遍的。

“在数学上有不同的描述量子纠缠的方法,”斯金纳说。 “我们展示的是这些描述中的一个完全类似于经典的渗透问题。但是现在还不清楚这个类比是如何通用的,以及其他描述纠缠的方式是否属于同一个'普遍性类'。现在的首要任务是确定类比是否只是在一些人为的情况下起作用的近似值,或者它是否在广泛的描述和实验设置中是完全通用的。

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