经典力学和量子力学，在几乎所有人的理解中，是两个自称一体的体系，就像波粒二象性理论出现之前的粒子和波一样。
7月11日发表在《自然·物理学》杂志上的一篇论文带来了新的机遇。 他们发现了量子纠缠和经典混沌之间的联系。 经典力学与量子力学的最终融合或许就是从这样的契机开始的。
基于小型量子计算机的实验揭示了量子纠缠（左）和经典混沌现象（右）之间的联系。图片来源：加州大学圣塔芭芭拉分校
借助由三个超导量子位组成的小型量子计算机，来自加州大学圣塔芭芭拉分校和谷歌的科学家共同发现了两种此前被认为无关的现象——经典物理中的混沌和量子物理中的混沌。 量子纠缠现象——有联系。
这一发现意味着可控量子系统的研究可以用来揭示特定自然现象的机制。
与这项工作相关的论文于7月11日发表在《自然·物理学》杂志上。加州大学圣塔芭芭拉分校物理系研究员查尔斯·尼尔（ Neill）为第一作者。 “这种联系让我们感到惊讶，因为主流理论认为混沌是经典物理下的一个概念。之前没有人想到会在量子系统中观察到混沌。同样，经典物理系统下也不存在纠缠的概念。但我们的实验结果证实，混沌和纠缠显然是相关的。”
经典物理学起源于15世纪。 其研究对象是比原子、分子更大的系统的特征。 其体系包括牛顿力学、电动力学、相对论、热力学和混沌理论。 混沌理论的对象是初始条件非常敏感以至于几乎不可能预测其行为的系统。
天气是一个典型的混沌系统。 任何地方的实际天气数据与输入到预测模型中的值只是略有不同，这足以使天气预报结果以及您的假期安排无效，无论您在地球上的哪个地方。 地点。
然而，经典物理学很难解释小至分子、原子级别的系统的运动规律。
于是，量子物理学在20世纪初诞生了。 量子物理理论是相当反直觉的物理学的量子纠缠原理，比如量子叠加原理——一个粒子可以同时出现在多个地方，还有量子纠缠——简单地说，如果两个粒子处于纠缠态，它们的自旋态一定是相同。 赞成和反对，但我们在测量之前不知道任何粒子的自旋状态。
然而，如果两个粒子之间的距离延伸到任何距离物理学的量子纠缠原理，甚至跨越整个宇宙，只要测量到一个粒子的状态，就会立即确定另一个粒子的自旋状态。
就好像被测量的粒子立即通知另一个粒子其状态，导致其将其状态设置为与被测量的粒子相反的状态。
一个自然的想法是：经典物理和量子物理之间有什么联系？ 尼尔表示，所有物理系统本质上都是量子系统，但目前还没有合适的量子物理理论来描述物体的混沌运动状态，比如空气分子在几乎真空的房间里的运动。
论文的另一位作者、芭芭拉大学和谷歌研究员 ( ) 想象了一个场景：一个充满空气分子的气球，你给每个分子贴上标签来跟踪它的路径，然后打开气球的嘴，将气体分子释放到真空中房间。 一种可能的结果是分子聚集在一起并遵循相同的轨迹，成团地在房间里移动。
不过，按照常理来说，这样的结果不太可能发生。 一般来说，单个分子会以不同的速度向不同的方向移动，从墙壁上反弹，并与其他分子碰撞。 结果，整个房间将充满空气分子。
最终，分子将均匀分布在整个房间内，而这个过程是混乱的。 但在量子物理体系中，并没有可靠的理论来描述这个过程，因为描述量子力学的数学工具和描述混沌的牛顿力学不是一回事。
为了研究混沌与量子纠缠之间的关系，科学家们建造了一台包含3个量子比特的量子计算机。 普通计算机中的一个位一次只能处于一种状态——0或1，但量子位可以处于0和1的叠加状态。
此外，多个量子位可以形成量子纠缠，这样测量一个量子位的状态也就可以知道其他量子位的状态。 尼尔使用电脉冲来改变这些量子位的状态，使它们相互作用、旋转并形成一个对初始状态高度敏感且可以用经典物理学描述的系统。
在实验中，量子位纠缠熵（纠缠程度）的分布图随时间变化。 经典力学下的混沌系统随着时间的推移，混沌程度的分布图也会发生变化。 奇怪的是，量子比特纠缠熵分布图越来越类似于经典物理系统的混沌度分布图，其中低纠缠区域对应于低混沌区域。
研究人员发现，量子纠缠和混沌密切相关。 具体来说，两种效应之间的相互作用使得系统最终服从热力学定律。
实验结果意味着，几乎所有的量子系统，包括量子计算机，如果让它们继续运行，那么经过一段时间后，系统的状态总能达到量子级的平衡状态，而量子比特之间的纠缠性质可以用经典物理系统下的热力学和混沌理论来描述。
研究成果对量子计算机研究产生重大影响。 由3个量子位组成的量子计算机还比较弱，但科学家们正在不断创造具有更多量子位的计算机。 它们功能极其强大，可以解决传统计算机无法解决的问题，例如机器学习、人工智能和流体学。 力学、计算化学等
尼尔表示，只要创建更大的实验系统，就可以进一步研究人类完全无法进入的新领域。
翻译：离子心
参考：DOI：10.1038/，
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