量子测量开启了信息相变的新大门


量子纠缠与信息的关系:

想象一对粒子 A 和 B,每个粒子都有一个自旋,可以测量为向上或向下。每个粒子一开始都处于向上和向下的量子叠加状态,这意味着测量会产生随机结果:或向上或向下。

  • 如果粒子没有纠缠在一起,测量它们就像掷两枚硬币:如果其中一个是正面,那么另一个会发生什么就不得而知了。
  • 但是,如果粒子是纠缠在一起的,那么两个结果将是相关的。只需测量一个粒子,就能了解另一个粒子。

测量 B 会提前给了我一些关于 A 的信息,这就意味着我们对 A 状态不是一无所知的。

这就是所谓的纠缠熵:与任何类型的信息一样,它是以比特为单位计算的。纠缠熵是物理学家量化两个物体之间纠缠程度的主要方法,或者说,一个物体的信息有多少是非局部地存储在另一个物体中的。

我们将这一想法向前推进了一两步:

  • 将一对粒子扩展成一个链条,其长度可以想象。根据薛定谔方程,纠缠会像流感一样从一个粒子传播到下一个粒子。
  • 我们还可以用同样的方法计算出纠缠的完全程度:将链的一半标为 A,另一半标为 B;如果纠缠熵很高,那么这两半就高度纠缠在一起了。
  • 测量一半的自旋,就能很好地知道测量另一半自旋时的结果。

接下来,将测量从过程的末端--粒子链已经达到特定量子态--移到了过程的中间,此时纠缠正在扩散。

这样做产生了冲突,因为测量是纠缠的死敌。

  • 如果不进行测量,一组粒子的量子态会反映出测量这些粒子时可能得到的所有起伏组合,这时以纠缠为主
  • 但都进行测量会使量子态坍缩,并破坏其中包含的任何纠缠。这时测量获胜,你得到了你所得到的,任何其他的可能性都消失了。
  • 但如果你只是零星地测量其中一些自旋,哪种现象会取得胜利呢?纠缠还是测量?

一种观点认为:如果只是进行一些部分地测量,测量也会粉碎纠缠。纠缠会在邻居之间缓慢传播,因此每次最多只能增长几个粒子。但是,一轮测量可能会同时击中整个漫长链条中的许多粒子,在许多地方扼杀纠缠。

许多物理学家很可能会同意,纠缠是无法与测量相匹敌的。有一种民间传说认为,非常纠缠的状态非常脆弱。

但是反对观点认为:
链条一刻不停地延伸到未来,形成一种链式栅栏。节点是粒子,它们之间的连接代表着可能形成纠缠的链路。测量在随机位置剪切链接。剪掉足够多的链接,栅栏就会散开。纠缠无法扩散。在此之前,即使是有些破损的栅栏,也应该能让纠缠传播得更远更广。

信息相的特点
人们发现:链粒子之间的随机相互作用不仅仅是纠缠,随着时间的推移,它们还会使链条的状态变得极其复杂,“像云一样”有效地传播其信息。最终,每个粒子都知道整个链条,但它所拥有的信息量是微乎其微的。

链粒子之间的随机相互作用还传播了信息!而测量引起的相变,这个相变还包括信息相变化,信息状态的变化。

信息的相变:信息的属性在事物之间共享,然后,又发生了非常突然的变化。

三个独立的团队试图观察这种相变的实际情况:他们进行了一系列元实验来衡量测量本身如何影响信息流。在这些实验中,他们使用量子计算机来确认可以在纠缠和测量的竞争效应之间达到微妙的平衡。这一转变的发现引发了一波研究浪潮,探讨当纠缠和测量发生冲突时可能发生的情况。

与有形的相变(例如水硬化成冰)不同,信息相之间的转变是不同的:信息在粒子中安全地传播的状态,以及通过重复测量而被破坏的状态。

测量很少时,当量子位数量加倍时,纠缠熵也会加倍,这是纠缠填充链的明显特征。最长的链(涉及更多的测量)需要在 IBM 小型机上用蛮力运行超过 150 万次,IBM公司的处理器总共运行了 7 个月。这是使用量子计算机完成的计算最密集的任务之一。

斯坦福大学的Vedika Khemani和现就职于德克萨斯大学奥斯汀分校的 Matteo Ippoliti 已于 2021 年使用谷歌的量子处理器创建了时间晶体,它与传播纠缠的相位一样,是变化系统中存在的一种奇特相位。他们发现系统中存在相当于约 24 个量子位的链的相变,他们在3 月份的预印本中对此进行了描述。

测量是新现象的物理事件
在对测量、信息和纠缠感兴趣的物理学家中催生了一个新的子领域。各种调查的核心是人们越来越认识到测量不仅仅是收集信息。它们是可以产生真正新现象的物理事件。

测量可以产生不寻常的结果:在测量的瞬间,量子态中包含的替代可能性消失了,永远不会被实现,包括那些涉及宇宙中遥远点的可能性。