都柏林圣三一学院的理论物理学家发现,量子力学最显著的特征之一量子纠缠,与热化之间存在着很深的联系,热化是物体与周围环境达到热平衡的过程,其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。相信很多人都熟悉热敏化:只要想一想咖啡是如何随着时间的推移而达到室温的;另一方面,量子纠缠则是另一回事。然而,博士生Marlon Brenes和来自圣三一大学的John Goold教授:

与意大利SISSA的Silvia Pappalardi和Alessandro Silva教授合作完成的研究表明:这两者是如何密不可分地联系在一起的。在解释这一发现的重要性时,QuSys团队负责人John Goold教授解释说:量子纠缠是量子力学一个违反直觉的特征,它能在某个时间点相互作用的粒子,以一种传统上不可能实现的方式相互关联。对一个粒子的测量,会影响另一个粒子的测量结果,即使它们相距数光年,爱因斯坦称这种效应为“鬼魅般的超距作用”。

事实证明,量子纠缠不仅令人毛骨悚然,而且实际上无处不在,事实上,更令人惊讶的是,我们生活在一个技术开始利用这一特征来实现在几年后,被认为是不可能实现壮举的时代。这些量子技术正在私营部门迅速发展,谷歌和IBM等公司在竞争中处于领先地位。但是这一切和冷咖啡有什么关系呢?John Goold教授详细解释说:当你准备一杯咖啡,放一段时间,它会冷却下来,直到它达到周围的温度,这是热敏化。

在物理学中,我们说这个过程是不可逆转的,正如我们所知,曾经热过的咖啡不会冷却,然后神奇地热起来。不可逆性和热行为是如何在物理系统中出现的,这是一件让我作为一名科学家着迷的事情,因为它适用于小到原子的规模,适用于咖啡,甚至适用于宇宙本身的演化。在物理学中,统计力学是旨在从微观角度理解这一过程的理论。对于量子系统来说,热敏化是出了名的棘手,也是目前这项研究的中心焦点。

那么这一切和纠缠有什么关系呢?

其结果是什么呢?在统计力学中,有各种不同的方法,称为系综,在这种方法中,你可以描述一个系统是如何热化的,当有一个大的系统(大约在10^23个原子的尺度上)时,所有这些方法都被认为是等价的。然而研究表明的是:在这个过程中不仅存在纠缠,而且它的结构也有很大的不同,这取决于选择哪种方式来描述系统。所以,研究给出了一种测试统计力学基本问题的方法,这个想法是通用的,可以应用于一系列。

第一作者、圣三一大学的博士生马龙·布伦尼斯(Marlon Brenes)使用超级计算机模拟量子系统来验证这一想法。数值专布伦尼斯说:我为这个项目进行的数值模拟,达到了目前高性能计算水平所能完成的极限,为了运行代码,我使用了国家设施ICHEC和那里的新Kay机器。因此,这项研究不仅是一个很好的基本结果,而且帮助真正突破了这种计算方法的界限,确立了我们的代码和国家架构正在以尖端的水平运行。

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博科园|研究/来自:都柏林圣三一学院

参考期刊《物理评论快报》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.040605

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