经典物理与量子物理不再泾渭分明，科学家最新发现混沌现象和量子纠缠之间的联系

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编者按：一个从树上掉下来的苹果造就了一个传奇的科学家。虽然苹果只是传说，但是这位科学家确实真真正正一手托起了经典力学，在量子力学诞生前，许多物理学家都认为，物理学的大厦已然建成，需要的只有修修补补了。

然而由于经典力学对微观世界的解释越来越乏力，许多科学家们转向新的思考方式，最终的结果是现代物理的两大支柱之一——量子力学诞生了。于是对所有的非专业人士来说，物理学描述出来的世界已经从反常识走向了反人类了。

经典力学和量子力学，在几乎所有人的理解里，都是自称一体的两个体系，如同波粒二象性理论出现之前的粒子和波。

而于7月11日发表在《自然·物理》杂志上的一篇论文，带来了一点全新的契机，他们发现了的量子纠缠态和经典混乱度之间存在联系。而经典力学和量子力学的最终融合，说不定就会从这么一点契机开始。

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: 加州大学圣巴巴拉分校

借助一个由3个超导量子比特组成的小量子计算机，加利福尼亚大学圣芭芭拉分校和谷歌的科学家联合发现，之前被认为无关的两个现象——属于经典物理的混沌现象和属于量子物理的量子纠缠现象——之间存在联系。

这一发现意味着可以借助对可控量子系统的研究来揭示特定自然现象的机理。

该项工作的相关论文于7月11日发表在了《自然·物理》杂志上，加利福尼亚大学圣芭芭拉分校物理系科研人员查尔斯·尼尔（Charles Neill）为第一作者。“这个联系令我们很惊讶，因为主流理论认为混沌是经典物理下的概念，之前没人预料到在量子系统中能观测到混沌。类似地，经典物理体系下也没有纠缠这个概念。但是我们的实验结果证实，混沌和纠缠是具有明显的联系的。”

经典物理学发源自15世纪，其研究对象是尺寸大于原子和分子的系统的特性，它的体系包括牛顿力学、电动力学、相对论、热力学和混沌理论，其中混沌理论研究的对象是对初始条件非常敏感，以至于几乎不可能预测其行为的系统。

天气就是一个典型的混沌系统，随便哪个地方的实际天气数据只要跟输入预测模型的数值差一点点，就足以使得天气预报结果——还有你的假期安排——作废，不论你在地球的哪个位置。

但是，经典物理难以解释尺寸小到分子和原子量级的系统的运动规律。

因此，20世纪早期诞生了量子物理。量子物理理论相当反直觉，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，两个粒子若处于纠缠态，则他们的自旋状态必然是一正一反，不过在测量之前，我们不知道任何一个粒子的自旋状态。

然而，如果将两个粒子的距离拉到任意远，哪怕隔着整个宇宙也罢，只要测量其中一个粒子的状态，另外一个粒子的自旋状态也瞬间随之确定。

这就好像被测量的粒子瞬间把自己的状态通知给另一个粒子，让它把自己的状态设置为跟被测粒子相反的状态。

一个自然而然的想法是：经典物理和量子物理之间有何联系？尼尔说，所有的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为真空的屋子里的运动。

论文的另一个作者，芭芭拉分校和谷歌研究人员派德拉姆·罗珊（Pedram Roushan）设想了这样一个场景：一个充满空气分子的气球，你给每个分子打上标签以追踪其运动路径，然后打开气球口，把气体分子释放到一个真空的屋子里。一种可能的结果是，分子聚成在一起，沿着相同的轨迹，抱着团在房间里运动。

然而根据常识，这样的结果不太可能发生，一般来说，各个分子会以不同的速度向不同的方向运动，被墙壁弹回，和其他分子相撞，结果整个屋子都充满了空气分子。

最终，分子会均匀分布在屋子之中，这个过程是混沌的。但是在量子物理体系中，尚无可靠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。

为了研究混沌和量子纠缠的关系，科学家们制造了一个包含3个量子比特的量子计算机。普通计算机的比特在某个时刻只能处于一种状态——0或1，但是一个量子比特可以处于一种既是0又是1的叠加态。

此外，多个量子比特可以形成量子纠缠，这样，对其中一个量子比特的状态进行测量，也就知道了其他量子比特的状态。尼尔用电脉冲改变这些量子比特的状态，让它们相互作用、旋转并形成一个对初始状态高度敏感的，可以用经典物理体系来描述的系统。

实验中，量子比特纠缠熵（纠缠程度）的分布图随着时间的推移会发生变化。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。奇妙的是，量子比特纠缠熵分布图和经典物理系统的混沌程度分布图越来越像，其中低纠缠度的区域对应着低混沌度的区域。

研究人员发现，量子纠缠和混沌具有很强的相关性，具体地，两种效应之间的相互作用使得系统最终服从热力学规律。

该实验结果意味着，几乎所有量子系统，包括量子计算机，如果你让其持续运行，那么经过一段时间后，系统的状态总是可以达到量子级别的平衡态，量子比特之间的纠缠特性能够用经典物理体系下的热力学和混沌理论来描述。

该研究成果对量子计算机的研究有重大影响。3个量子比特组成的量子计算机的功能还比较弱，但是科学家正不断制造拥有更多量子比特的计算机，它们的功能极其强大，可以解决传统计算机无力解决的问题，诸如机器学习、人工智能、流体力学和计算化学等。

尼尔称，只要制造更大的实验系统，就可以进一步研究人类之前完全无法探究的新领域。

翻译：离子心

参考：Nature Physics  DOI:10.1038/nphys3830 ，http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3830.html

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