量子のもつれは高温で破壊される

ほぼ一世紀前、物理学者 エルヴィン・シュレーディンガー それ以来、研究者を魅了し悩ませてきた量子の世界の特殊性に注目を集めました。原子のような量子粒子が相互作用すると、それらは個々のアイデンティティを脱ぎ捨て、その部分の合計よりも大きくて奇妙な集合状態を好みます。 この現象は量子もつれ (または量子もつれ) と呼ばれます。。

の 研究者 少数の粒子のみを含む理想的な系でもつれがどのように機能するかを明確に理解しています。しかし、現実の世界はもっと複雑です。私たちが見たり触れたりするものを構成する原子のような大きな原子の配列では、量子物理学の法則が熱力学の法則と競合し、事態は混乱してしまいます。

非常に低い温度では、もつれが長距離に広がり、多くの原子が閉じ込められ、超伝導などの奇妙な現象が引き起こされる可能性があります。しかし、温度を上げると原子がちらつき、絡み合った粒子を結合している脆弱な結合が破壊されます。

物理学者たちは、このプロセスの詳細を解明するのに長い間苦労してきました。今回、4人の研究者チームは、絡み合いは温度の上昇とともに単に弱まるわけではないことを示した。逆に、物理物質内の原子の配列などの量子システムの数学的モデルでは、 常に一定の温度があり、それを超えると完全に消えてしまいます。 «指数関数的に小さいだけではありません“、 言った アンクール・モイトラ の と、新しい研究の著者の1人。 」ゼロです»。

研究者は以前にこの行動の兆候を観察していました。 彼らは婚約を「突然死」と呼んだ。しかし、彼らの証拠はほとんどが状況証拠でした。新しい発見は、数学的に厳密な方法でエンタングルメントに対してはるかに強力な制限を設定します。

不思議なことに、この新しい結果に携わった 4 人の研究者は物理学者ですらないし、もつれについて何かを証明しようとしたわけでもありません。それは ITサイエンティスト 新しいアルゴリズムを開発中に偶然その証明に遭遇した人です。その意図に関係なく、この結果はこの分野の研究者を興奮させました。 」それはとてもとても強い言葉です“、 言った チェ・スンウォンの物理学者。 と。 «とても感動しました»。

研究チームは、将来の量子コンピューターの理論的可能性を調査する中でこの発見をしました。量子コンピューターとは、今日私たちが知っている従来のコンピューターよりもはるかに高速に特定の計算を実行するために、もつれや重ね合わせなどの量子の動作を利用するコンピューターのことです。

量子コンピューターの最も有望な応用の 1 つは、量子物理学そのものの研究です。量子システムの動作を理解したいとします。研究者はまず、量子コンピューターが私たちの質問に答えるために使用できる特定の手順、つまりアルゴリズムを開発する必要があります。

しかし、量子システムに関するすべての質問に、量子アルゴリズムを使用する方が簡単に答えられるわけではありません。通常のコンピューターで実行される古典的なアルゴリズムでも同様に簡単なものもあれば、古典アルゴリズムと量子アルゴリズムの両方にとって難しいものもあります。

量子アルゴリズムとそれを実行できるコンピューターがどのような利点をもたらすかを理解するために、研究者はよく分析します。 数学的モデル どこ スピン系と呼ばれる、相互作用する原子の配列の基本的な動作をキャプチャします。すると彼らは次のように疑問に思うかもしれません。 スピンシステムを特定の温度で放置するとどうなるでしょうか? インストールされている状態、つまりステートと呼ばれます。 熱平衡、他の多くの特性が決定されるため、研究者は長い間、平衡状態を見つけるアルゴリズムの開発に努めてきました。

これらのアルゴリズムが実際に量子であることから恩恵を受けるかどうかは、問題のスピン系の温度に依存します。非常に高い温度では、よく知られている古典的なアルゴリズムで簡単に作業を行うことができます。の 温度が下がると問題はさらに難しくなる そして、量子効果が強くなる。 一部のシステムでは、量子コンピューターでも妥当な時間内に解決することが非常に困難になります。。しかし、これらすべての詳細は依然として不明瞭なままです。

«量子が必要な空間にいつ行くのか、量子が役に立たない空間にいつ行くのか?» 彼女は不思議に思う イーウィン・タン、カリフォルニア大学バークレー校の研究者であり、新しい研究の著者の1人です。 」あまり知られていない»。

2月には、 唐 そして モイトラ は、他の 2 人の MIT コンピュータ科学者と一緒に熱平衡問題について考え始めました。 アイネシュ・バクシ と大学院生のモイトラさん アレン・リュー。 2023 年、彼らは全員、スピン系を含む別のタスクのための先駆的な量子アルゴリズムで協力しており、新たな挑戦を模索していました。

この 2023 年の発見の前に、彼の 3 人の研究者は、 マサチューセッツ工科大学 彼らは量子アルゴリズムに取り組んだことがありませんでした。彼らの経歴は、統計分析のアルゴリズムに焦点を当てたコンピューター サイエンスのサブ分野である学習理論にありました。しかし、すべての野心的な若者と同様に、彼らも自分たちの比較的素朴な点を利点、つまり新鮮な目で問題を見ることができる方法だと考えていました。 「え私たちの利点は、量子についてあまり知らないことですモイトラ氏は述べた。 」私たちが知っている唯一の量子物理学は、イーウィンが私たちに教えてくれたものです»。

研究チームは、誰もそれを証明できなかったものの、研究者らは高速量子アルゴリズムが存在すると疑っていた比較的高温に焦点を当てることにした。すぐに、彼らは学習理論の古いテクニックを新しい高速アルゴリズムに適応させる方法を発見しました。しかし、論文を書いているときに、別のチームも同様の結果を導き出しました。それは、前年に開発された有望なアルゴリズムが高温でもうまく機能することを証明するものでした。彼らは彼らに追いついた。

2位になったことにややがっかりしたタンさんと同僚は、彼と文通を始めた。 アルバロ アルハンブラの物理学者 理論物理学研究所 で マドリッド そして反対論文の著者の一人。彼らは、独自に達成した結果の違いを解明したいと考えていました。しかし アルハンブラが 4 人の研究者の証明の予備草案を読んだとき、彼らが中間段階で別のことを証明したことを発見して驚いた: 熱平衡状態にあるスピン系では、ある温度を超えるとエンタングルメントが完全に消失します。 «私は彼らに「ああ、これはとてもとても重要なことだよ」と言いました。“、 言った アルハンブラ。

チームはランダム効果を強調するために草案をすぐに修正しました。 」これは単にアルゴリズムをエスケープしているだけであることが判明しましたモイトラ氏は述べた。 」予想以上のものを得ることができました»。

研究者らは2000年代からこの絡み合いの突然死を観察していた。、通常の古典的なコンピューターでの実験やシミュレーションで。しかし、これまでの研究ではもつれの消失を直接測定できたものはありませんでした。彼らはまた、この現象を小さなシステムでのみ研究していましたが、それは最も興味深いものではありませんでした。

«より大きなシステムでは、絡み合いの除去を確認するために、より高い温度に移行する必要がある可能性があります。アルハンブラ宮殿はこう述べた。この場合、現実の材料では問題にならないような高温で突然死現象が発生する可能性があります。 2003 年以降の唯一の理論的限界は、この可能性を残したままでした。それどころか、 Tangらは、もつれが消える温度は系内の原子の総数に依存しないことを示した。重要なのは近くにいる人々の間のやり取りの詳細だけです。

彼らが証明に用いたアプローチ自体が珍しいものでした。熱平衡状態を見つけるためのアルゴリズムのほとんどは、実際の物理システムがどのように平衡に近づくかに基づいています。しかし、タン氏と彼女のチームは、量子論とはかけ離れた技術を使用しました。

«そこがこの作品のすごいところです“、 言った ニキル・スリヴァスタヴァ、バークレーのコンピューター科学者。 」証明はどういうわけか物理学を無視しています»。

4人の研究者が証明したのは、 高温のスピン系にはインターフェースがないということは、彼らの新しいアルゴリズムのもう 1 つの興味深い特徴を説明するのに役立ちます。実際には量子はほとんど含まれていません。 実際、アルゴリズムの出力、つまりスピン系内の原子が熱平衡状態でどのように配向するかを完全に記述したものは、古典的なマシンに保存するにはあまりにも面倒です。ただし、この出力を生成する最後のステップを除いて、アルゴリズムのすべての部分は古典的なものです。 」本質的には最も単純な量子計算です劉さんは言った。

Tang には結果を見つける長い実績があります。」逆量子化」 – 多くの問題には量子アルゴリズムが実際には必要ないという証拠。彼女と彼女のパートナーは今回はそうしようとしていませんでしたが、 彼らが偶然到達した消失もつれの証拠は、逆量子化のさらに極端なバージョンに相当します。。それは、量子アルゴリズムが高温スピン系を含む特定の問題において何の利点も提供しないというだけではありません。これらの系には量子性がまったくありません。

これは、量子コンピューティングの研究者が希望を失うべきだという意味ではありません。最近の 2 つの論文では、平衡状態を測定する量子アルゴリズムが古典アルゴリズムよりも優れた性能を発揮する低温スピン系の例を特定しましたが、この動作がどの程度普及しているかはまだわかっていません。バクシと彼の同僚は否定的な結果を示しましたが、そこに到達するために彼らが使用した型破りな方法は、実りある新しいアイデアが予期せぬ場所から生まれる可能性があることを示しています。

«私たちは、クレイジーな新しいアルゴリズムが発見されるだろうと楽観的になることができます。モイトラ氏は述べた。 」そしてその過程で美しい数学を発見できるだろう»。

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