使用量子计算机来测试物理学的基本原理

一种新开发的算法为理解从量子到经典物体的转变打开了一扇窗。

如果你能足够仔细地观察你周围的物体，放大到比你用大多数显微镜看到的要大得多的放大倍数，你最终会发现你日常生活中熟悉的规则被打破了。当血细胞和病毒看起来很大，分子出现在视野中时，事物就不再受制于我们在高中学到的简单物理定律。

原子——以及组成原子的电子、质子和中子——不像大理石那样存在。相反，它们被涂抹在云里，如果没有量子力学的复杂数学，这些云很难理解，也不可能描述。

然而，原子构成了分子，而分子又是构成弹珠和我们每天接触和看到的其他一切东西的基石。当量子物体被组装成我们周围熟悉的物体时，大自然显然找到了抑制量子行为的方法。

那些遵循经典物理定律的东西——比如一个棒球或飞行中的大黄蜂——是如何由受量子规则约束的部分组成的呢？这是现代物理学中最深奥的问题之一。为了寻求答案，最近的研究——由美国能源部科学办公室的高能物理项目资助——应该有助于阐明经典世界是如何从潜在的量子世界中浮现出来的。

洛斯阿拉莫斯国家实验室和加州大学戴维斯分校的科学家们开发了一种量子计算算法，它为我们打开了一扇新的窗户，让我们得以了解量子世界和经典世界之间的联系，以及当我们缩小到最小尺度上观察时必然发生的转变。

为了研究量子到经典的转变，物理学家需要评估一个量子系统与经典行为之间的距离。在其他影响中，物理学家必须考虑这样一个事实，即量子对象受制于波粒二象性。我们通常认为是粒子的东西，比如电子，在某些情况下可以像波一样运动。我们认为是波的东西，比如光，可以像粒子一样运动，我们称之为光子。在量子系统中，粒子的波状状态可以相互干扰，就像海浪有时可以叠加或相互抵消一样。

缺乏干涉的量子系统可以用经典规则而不是量子规则来描述。新开发的算法会搜索出无干扰的解决方案，即所谓的一致性历史，也就是最终在我们居住的古典现实世界中观察到的结果。

对于只有几个原子的系统，找到一致的历史记录是相当有限的。然而，对于由许多部分组成的系统，量子到经典跃迁的计算是出了名的难解。每增加一个原子，所涉及的方程式数目就急剧增加。事实上，对于不止几个原子的系统，即使是最强大的超级计算机，计算也很快变得棘手起来。

上图来自洛斯阿拉莫斯国家实验室。白十字代表非干涉量子态，它们对一个简单的量子问题表现出经典的行为，该量子问题由洛斯阿拉莫斯国家实验室与加州大学戴维斯分校合作开发的一致性历史算法进行分析。这种算法使量子计算机有潜力克服研究量子到经典跃迁的挑战，而这一挑战几十年来一直困扰着物理学家。

新的一致性历史算法依赖于量子计算机来克服计算爆炸和测量如何接近经典的量子系统的行为。与操作由1和0组成的数据的传统计算机不同，量子计算机以数字的量子组合来存储和操作数据。就像原子以量子云的形式存在而不是在一个点上一样，量子计算机中的数据不是单个数字，而是多个数字的叠加。

虽然强大到足以解决有意义问题的量子计算机还不存在，但理论上已经证明，它们可以实现出色的计算，在原则上比传统计算机的运算速度要快得多。使用一致性-历史算法，量子计算机有潜力克服研究量子到经典跃迁的困难，因为它们运行在控制原子和其他量子实体的相同规则下——这是一个困扰了物理学家几十年的问题的一个优雅的潜在解决方案。