破解量子密码：模拟追踪纠缠夸克

高能粒子碰撞产生的夸克-反夸克对的时间演化.这对粒子在空间中分离，产生额外的夸克-反夸克对，但这些二次粒子仍然保持量子纠缠。图片来源：Adrien Florio 等人。al. 物理评论快报

今天，“量子”这个词无处不在——在公司名称、电影名称，甚至影院中。但就其核心而言，量子的概念——最微小、离散的某物——最初是为了解释最小的物质和能量的行为而开发的。

在过去的一个世纪里，科学家们已经对这些粒子和能量包如何相互作用进行了数学描述，并利用他们对“量子力学”的理解设计了一系列惊人的技术——从计算机和手机到望远镜和航天器。

强大的量子计算机和量子通信网络等新应用指日可待。但是，即使在这些应用成为主流之前，科学家们也在开发量子代码来执行量子计算，并使用它来跟踪复杂的量子系统。

在最近的一个例子中，美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室和石溪大学（SBU）的理论家和计算科学家进行了一系列量子模拟，以探索量子领域最古怪的特征之一：纠缠。这项研究将量子带回了它的根源，试图解释亚原子粒子的行为。

“纠缠背后的基本思想是，两个量子物体 - 比如两个粒子 - 可以相互关联或相互感知，即使它们相隔非常远的距离，”布鲁克海文实验室/ SBU理论家Dmitri Kharzeev解释道，他领导了这项研究。爱因斯坦称其为“远距离的幽灵行动”。但无数的实验表明，这种诡异的效果是真实的。

为了更进一步，Kharzeev和他的同事们想看看纠缠是否在次级粒子射流中持续存在 - 由高能粒子碰撞发射的所谓纠缠粒子碎片产生的粒子级联。他们开发了模拟，以寻找一个射流中的粒子与由同一初始事件背靠背产生的射流中的粒子之间的相关性。

在《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一篇出版物中描述了他们的模拟，揭示了持续的强烈纠缠，至少在短距离内是这样。

这些结果为在布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机（RHIC）、欧洲CERN实验室的大型强子对撞机（LHC）以及布鲁克海文的未来电子离子对撞机（EIC）的核物理实验中测试这些预测奠定了基础。此外，该方法使用在经典超级计算机上运行的量子代码，提供了对改造和利用现有计算资产以运行量子计算的方法的见解，直到更实用的量子计算机出现。

检测次级纠缠

“如果你在高能碰撞中背靠背产生夸克和反夸克，你期望这两个粒子纠缠在一起，因为它们是在相同的相互作用中产生的，”该研究的共同作者Adrien Florio说，他是与布鲁克海文实验室物理系的Kharzeev合作的Goldhaber研究员。“但是探测这种纠缠并不容易，因为我们无法直接观察夸克。夸克和反夸克必须始终是'限制'的——成对或三重形成称为强子的复合粒子。

约束难题意味着，一旦夸克和反夸克从碰撞中出现，它们就会立即开始将能量释放到周围的真空中。这种能量会产生新的夸克-反夸克对——每个初始粒子的级联或射流，结合强子。

传统的射流生产模型在三维空间中对构成射流的粒子进行了概率描述。寻找一个射流中的特定粒子与另一个射流中的粒子的一对一相关性将是一个巨大的挑战。

“在量子计算之前，我们甚至不知道如何解决这个问题，”弗洛里奥说。

但是，通过使用量子比特（量子计算的基本单位）模拟粒子，科学家们可以测试代表空间和时间中各个点的量子比特是否纠缠在一起。此外，他们使用了一个更简单的理论框架，将喷气机的复杂性降低到只有两个维度——一个空间维度加上时间。

“由于夸克和反夸克是在非常高的能量下产生的，它们像子弹一样在量子真空中沿着直线移动，”弗洛里奥说。“我们只是寻找量子比特之间的相关性，这些量子比特代表粒子随时间推移沿着直线轨迹移动。

纠缠熵

这些计算是与布鲁克海文实验室计算科学计划（CSI）的Kwang Min Yu合作设计的，以显示强子在一架喷气式飞机轨迹中特定点的“纠缠熵”是否与对面喷气式飞机中相应点的强子的纠缠熵相关。

“熵是不确定性的量度，”Kharzeev解释说。“当你的生活充满混乱和不确定性时，你的生活就会有大量的熵。”相比之下，纯量子态的纠缠熵为零。“在这种状态下，一切都在控制之中。你确切地知道你处于什么状态，所以没有不确定性，“他说。

但是，如果两个纯量子态（粒子或量子比特）纠缠在一起，“如果你在一个中做某事，那么在另一个中就会发生一些事情，”他解释说。“这意味着，如果我只测量一个，我就不拥有关于它的完整信息，因为它的部分状态是由另一个量子态控制的，而我无法获得。其特性和行为将存在一些不确定性。熵值不会为零。

“这就像你和某人有密切的关系，无论这个人做什么都会影响你，反之亦然。所以这意味着你不能完全控制正在发生的事情。这在量子水平上是一样的，“Kharzeev说。

为了检测这些纠缠，科学家们寻找代表距离碰撞点不同距离的粒子的量子比特之间的相关性。哈热耶夫将计算比作掷骰子，并测量在一个数字上掷出某个数字在另一个数字上产生相同数字的概率。

“通过粒子，你可以确定在空间中的某一点产生的粒子是否与碰撞另一侧空间中同一点的粒子相对应。如果它们匹配一次，那可能是一个巧合。但是，如果你通过研究数百万个事件来掷'骰子'一百万次，它们总是向你显示相同的结果，那么你就知道这些粒子是相关的，或者纠缠在一起的，“他说。

科学家们发现，模拟强子之间存在量子相关性，并且非常强。“但是在我们的模拟中，我们看到，如果二次粒子之间的距离很大，相关性就会消失，”他说。

这些发现为在RHIC、LHC和未来的EIC的实验中测试纠缠是否随着距离的增加而持续存在和消失奠定了基础。

利用计算资产

尽管科学家们使用量子代码编写了他们的模拟，但他们在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的国家能源研究科学计算中心（NERSC）的经典超级计算机上进行了计算。

“目前，你可以为少量量子比特获得非常有意义的结果，模拟它们在经典计算机上的行为，”CSI的Yu解释说。

Kharzeev 和 Yu 正在与 NVIDIA 的合作者合作，该公司最初开发了当今最强大的超级计算机中使用的图形处理单元 （GPU），以使经典计算机更适合运行量子模拟。

“你可以重新排列量子门，以优化它们以执行量子模拟，”Yu说。

但是，即使是这些经过优化的经典计算机，当模拟所需的量子比特数量增加时，最终也会达到顶峰，例如，它必须跟踪喷气式飞机在更远距离上的演变。

许多努力正在进行中，以提高量子计算机的性能，特别是改善错误缓解。Kharzeev 作为量子优势协同设计中心 （C2QA） 的一部分参与这项工作，该中心是由布鲁克海文实验室领导的国家量子信息科学 （QIS） 研究中心。

“许多人正在努力解决构建量子计算机的挑战，”Kharzeev说。“我相信，在不久的将来，我们将能够在这些下一代机器上运行各种更复杂的量子模拟，利用我们已经获得的关于量子相互作用的知识来进一步探索构成我们世界的量子粒子的行为。

更多信息： Adrien Florio 等人，Schwinger 模型中射流产生的实时非扰动动力学：量子纠缠和真空修改，Physical Review Letters （2023）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.131.021902

期刊信息：Physical Review Letters

来自：量子梦