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量子“超图态”:最大程度地违背你的直觉想象

2018年10月28日 天文物理 ⁄ 共 1554字 ⁄ 字号 暂无评论

多个量子态可以形成一种神奇的“超图态”,在多个方面都违反了定域实在论。

量子“超图态”:最大程度地违背你的直觉想象

 (a) 最简单的“超边”(连接了超过两个顶点的边);(b) 所有点两两之间都相连的5比特图态;(c) 所有点之间都相连的4比特超图态,每个点同时与其他三个点都相连。图片来源:Gachechiladze, et al.


量子世界最违反直觉的一项特征,就是它违背了所谓的“定域实在论”(local realism):顾名思义,它要么违反了定域性,即互相纠缠的两个粒子可以远隔千里而发生瞬时的相互作用,要么违反了实在论,即量子态不再具有独立于测量行为的清晰特征,甚至同时违反了两者。许多量子技术正是依赖了量子世界的这一独特特征才得以存在。

 

不过,如何测定两个以上的量子态是否违反了定域实在论仍然是个挑战。来自德国锡根大学的玛利亚米·加切奇拉泽(Mariami Gachechiladze)、科斯坦蒂诺·布德罗尼(Costantino Budroni)与奥特弗里德·居尔内(Otfried Gühne)近期在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一篇论文,表明多个量子态可以形成一种神奇的“超图态”(hypergraph state),在多个方面都违反了定域实在论。这种超图态或许能在多种量子技术中产生应用,如量子计算机等,甚至可以帮忙探测引力波。

 

多粒子的量子系统由量子态来描述,有的多粒子量子态可以用“图”(graph)来表现:用点来表示粒子,点与点之间的连线(称为边)则表示粒子之间的相互作用。有些量子态可以用普通的图来表现,两个粒子之间只用一条普通的边连接,而有些量子态则需要用“超图”(hypergraph)来表示。在超图中,一条“超边”可以连接多个顶点,因此它不能像普通的边一样用一条线表示,而用一条闭合的曲线来表示,把所有作用的顶点圈在里面(见下图)。

 

量子“超图态”:最大程度地违背你的直觉想象 

所有可能的4比特超图态(彼此之间互不等价)。图片来源:Gachechiladze, et al.

 

在最新的研究中,物理学家发现量子超图态之间有着非局域的强关联,这意味着它们完全违背了定域实在论。

 

加切奇拉泽表示:“我们发现了一类全新而优美的高纠缠量子态,它是对一种广为人知且应用广泛的图态的概括总结。”

 

物理学家还发现,量子超图态中所包含的粒子数增加,它违背定域实在论的程度就沿指数上升。此外,即使量子超图态失去了一个粒子,它还是能继续保持非定域的状态,这种稳定性与其他量子态截然不同:在其他量子态中,一旦丢失了一个粒子,非定域性也随之丧失。这一性质可以使量子态更耐受噪音干扰,因而有非常广泛的应用前景。

 

可以应用的领域之一就是量子计算。量子超图态的非定域性随着粒子数增加而指数增加,就意味着针对某些问题的计算能力可能会指数上升。另一个应用领域是量子计量学,它可以帮助物理学家利用量子特性进行经典手段无法达到的极度精确的测量。

 

“高纠缠是实现某些信息理论问题的基础,”加切奇拉泽说,“我们发现,超图态可以用于量子计量学,即帮助我们进行超高精度的测量,这些测量手段或许会在未来的高精度实验中有用武之地,比如寻找引力波。”

 

在将来,研究者还会进一步探索实现这些应用的可能性。加切奇拉泽表示:“我们计划继续研究量子超图态的纠缠特性,另一个研究重点是设计实验,用光子或囚禁离子在实验中产生量子超图态,最终把它应用到基于测量的量子计算或误差校正中。”撰文:丽萨·齐加(Lisa Zyga)编译:丁家琦

 

论文发表于《物理评论快报》(Physical Review Letters),点击查看。

 

原文链接:http://phys.org/news/2016-03-physicists-extreme-violation-local-realism.html

 


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