Informatiker beweisen, dass Hitze die Quantenverschränkung zerstört – Quanta Magazine

Vor fast einem Jahrhundert machte der Physiker Erwin Schrödinger auf eine Seltsamkeit in der Quantenwelt aufmerksam, die Forscher seitdem fasziniert und beunruhigt. Wenn Quantenteilchen wie Atome interagieren, geben sie ihre individuelle Identität zugunsten eines kollektiven Zustands auf, der größer und seltsamer ist als die Summe ihrer Teile. Dieses Phänomen nennt man Verschränkung.

Forscher wissen genau, wie Verschränkung in idealen Systemen mit nur wenigen Teilchen funktioniert. Aber die reale Welt ist komplexer. In großen Gruppen von Atomen, wie denen, aus denen die Dinge bestehen, die wir sehen und berühren, konkurrieren die Gesetze der Quantenphysik mit den Gesetzen der Thermodynamik, und es kommt zu Chaos.

Bei sehr niedrigen Temperaturen kann sich die Verschränkung über große Entfernungen ausbreiten, viele Atome umhüllen und zu seltsamen Phänomenen wie der Supraleitung führen. Steigt jedoch die Temperatur, zittern die Atome, wodurch die fragilen Bindungen, die die verschlungenen Teilchen zusammenhalten, auseinanderbrechen.

Physiker haben lange darum gekämpft, die Einzelheiten dieses Prozesses herauszufinden. Zu diesem Schluss ist nun ein Team aus vier Forschern gekommen. Bewährt Die Verschränkung wird nicht nur mit steigender Temperatur schwächer. Vielmehr gibt es in mathematischen Modellen von Quantensystemen, etwa Atomanordnungen in physikalischen Materialien, immer eine bestimmte Temperatur, oberhalb derer die Verschränkung vollständig verschwindet. „Es ist nicht nur unglaublich klein“, sagt er Ankur Moitra vom MIT, einem der Autoren der neuen Entdeckung. „Es ist Null.“

Forscher hatten bereits zuvor Hinweise auf dieses Verhalten bemerkt und es „Plötzlicher Tod„Die Quantenverschränkung ist nicht nur eine Ausrede, sondern die Beweise, die sie gefunden haben, waren im Gegensatz dazu die Kraft eines mathematischen Beweises. Sie beweisen das Fehlen einer Quantenverschränkung auf eine umfassendere und präzisere Weise.“

Merkwürdigerweise sind die vier Forscher, die zu dem neuen Ergebnis kamen, nicht einmal Physiker, und ihr Ziel war es nicht, etwas über die Verschränkung zu beweisen. Es handelt sich vielmehr um Informatiker, die bei der Entwicklung eines neuen Algorithmus auf die Beweise gestoßen sind.

Unabhängig von ihren Absichten haben die Ergebnisse Forscher auf diesem Gebiet begeistert. „Das ist eine sehr starke Aussage“, sagte ein Forscher. Sonon Choi„, ein Physiker am Massachusetts Institute of Technology. „Das hat mir sehr gut gefallen.“

Finden Sie das Gleichgewicht

Das Team machte seine Entdeckung, als es die theoretischen Fähigkeiten zukünftiger Quantencomputer untersuchte – Maschinen, die das Quantenverhalten, einschließlich Verschränkung und Überlagerung, ausnutzen würden, um bestimmte Berechnungen viel schneller durchzuführen als die klassischen Computer, die wir heute kennen.

Eine der vielversprechendsten Anwendungen des Quantencomputings ist das Studium der Quantenphysik selbst. Angenommen, Sie möchten das Verhalten eines Quantensystems verstehen. Forscher müssen zunächst konkrete Verfahren oder Algorithmen entwickeln, mit denen Quantencomputer Ihre Fragen beantworten können.

Doch nicht alle Fragen zu Quantensystemen lassen sich mit Quantenalgorithmen einfach beantworten. Einige dieser Fragen sind für klassische Algorithmen, die auf normalen Computern laufen, gleichermaßen einfach, während andere sowohl für klassische als auch für Quantenalgorithmen schwierig sind.

Um zu verstehen, wo Quantenalgorithmen und die Computer, die sie ausführen können, einen Vorteil bieten könnten, analysieren Forscher häufig mathematische Modelle, sogenannte Spinsysteme, die das grundlegende Verhalten von Anordnungen interagierender Atome erfassen. Dann fragen sie sich vielleicht: Was macht das Zirkulationssystem, wenn man es bei einer bestimmten Temperatur in Ruhe lässt? Der Zustand, in dem es sich stabilisiert, das sogenannte thermische Gleichgewicht, bestimmt viele seiner anderen Eigenschaften. Daher haben Forscher lange versucht, Algorithmen zum Finden von Gleichgewichtszuständen zu entwickeln.

Ob diese Algorithmen wirklich von der quantitativen Natur profitieren, hängt von der Temperatur des jeweiligen Spinsystems ab. Bei sehr hohen Temperaturen können bekannte klassische Algorithmen diese Aufgabe problemlos lösen. Das Problem wird schwieriger, wenn die Temperatur sinkt und die Stärke der Quantenphänomene zunimmt. In einigen Systemen ist es sogar für Quantencomputer äußerst schwierig, sie in angemessener Zeit zu lösen. Doch die Details zu all dem bleiben vage.

„Wann gehst du in einen Raum, in dem du Quanten brauchst, und wann gehst du in einen Raum, in dem dir Quanten nicht einmal helfen?“ Er sagte Ewen Tang„Wir wissen nicht viel darüber“, sagte ein Forscher der UC Berkeley und einer der Autoren der neuen Entdeckung.

Im Februar begannen Tang und Moitra, zusammen mit zwei anderen Informatikern am MIT, über das Problem des thermischen Gleichgewichts nachzudenken: einem Postdoktoranden namens Aineesh Bakshi Ein Doktorand bei Moitra Allen LiuIm Jahr 2023 haben sie alle zusammengearbeitet Bahnbrechender Quantenalgorithmus Für eine andere Mission mit Rotationssystemen suchten sie nach einer neuen Herausforderung.

„Wenn wir zusammenarbeiten, läuft alles reibungslos. Es war großartig“, sagte Bakshi.

Vor ihrem Durchbruch im Jahr 2023 hatten die drei MIT-Forscher noch nie an Quantenalgorithmen gearbeitet. Ihr Hintergrund lag in der Lerntheorie, einem Teilgebiet der Informatik, das sich auf Algorithmen für statistische Analysen konzentriert. Aber wie ambitionierte Start-ups überall sahen sie ihre relative Naivität als Vorteil, als eine Möglichkeit, das Problem mit neuen Augen zu sehen. „Eine unserer Stärken ist, dass wir nicht viel über Quanten wissen“, sagt Moitra. „Das einzige Quantum, das wir kennen, ist das Quantum, das Ewen uns beigebracht hat.“

Das Team beschloss, sich auf relativ hohe Temperaturen zu konzentrieren, da die Forscher schnelle Quantenalgorithmen vermuteten, obwohl dies niemand beweisen konnte. Sie fanden bald einen Weg, eine alte Technik der Lerntheorie in einen neuen schnellen Algorithmus umzuwandeln. Doch während sie ihre Arbeit verfassten, kam ein anderes Team auf die Idee, dass diese Algorithmen bei der Lösung dieses Problems nützlich sein könnten. Ähnliches Ergebnis: Beweis dafür Vielversprechender Algorithmus Im Vorjahr entwickelte Produkte hätten bei höheren Temperaturen gut funktioniert. Es wurde weggefegt.

Der plötzliche Tod wird wiedergeboren

Tang und ihre Teamkollegen waren ein wenig enttäuscht, dass sie den zweiten Platz belegten, und begannen mit ihnen zu korrespondieren Alvaro-RotAlhambra, Physiker am Institut für Theoretische Physik in Madrid und einer der Autoren der konkurrierenden Arbeit, wollte die Unterschiede zwischen ihren Ergebnissen unabhängig voneinander wissen. Doch als Alhambra einen ersten Entwurf des Beweises der vier Forscher las, stellte er überrascht fest, dass sie in einem Zwischenschritt noch etwas anderes bewiesen hatten: In jedem Spinsystem im thermischen Gleichgewicht verschwindet die Verschränkung oberhalb einer bestimmten Temperatur vollständig. „Ich sagte ihnen: ‚Oh, das ist sehr, sehr wichtig‘“, sagte Alhambra.