意外发现新效应，量子退火计算能解决世界两大难题：反物质不对称与同位素分离

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)的一支团队在研究量子退火计算机的运行速度为什么比预期快很多时，意外发现了一个新的效应。

这种效应有可能解决两个著名的科学问题，一是宇宙中物质和反物质分布不平衡的原因，二是分离同位素的新方法。

研究成果以“Nonadiabatic Phase Transition with Broken Chiral Symmetry(手征对称性破缺的非绝热相变)”为题，发表在《物理评论快报》上[2]。

LANL的理论物理学家Nikolai Sinitsyn表示，虽然团队的实验并没有解决退火时间的限制，但现在可以用量子退火计算机来研究一系列新的物理问题，且不必过分拘泥于时间限制。

Sinitsyn认为，如果对近期的量子退火实验稍作改动，就足矣证明如上所述的科学问题。

图1｜手征对称性破缺的自旋链模型（来源：LANL）

1. 解释物质/反物质之间的差异

物质和反物质都是宇宙诞生时产生的能量激发的结果，虽然物质和反物质之间相互作用的对称性被打破了，但其程度十分微弱。

可是这种微妙的差异，并不足以解释物质为何会超越反物质，取得支配地位。

美国研究团队的新发现表明，这种不对称性在物理上是有可能的。当一个大量子系统通过相变时，就会发生这种情况。

在这种情况下，强烈但对称的相互作用大致会相互抵消，此时，细微的、无法排除的差异，就会起到决定性的作用。

图2｜起支配作用的物质（来源：World Science Festival）

2. 让量子退火计算机足够慢

量子退火计算机，通过将变量与量子比特相关联，来解决复杂的优化问题。

在量子退火计算机中，通过施加强大的外部磁场，以最低能量状态来制备量子比特。然后，当量子比特之间逐渐发生相互作用时，慢慢关闭外部磁场。

理想情况下，量子退火计算机的运行速度足够慢，其误差也就达到最小值。但由于退相干，人们必须加快量子退火计算机的运行速度。

根据量子力学的绝热定理，如果所有的变化都十分缓慢，那么量子比特必须始终保持在最低能量状态。

因此，当最终测量量子比特时，会得到0和1的理想配置，这是经典计算机不可能得到的。

3. 因退相干性而受阻

然而，目前可用的量子退火计算机，其量子比特会与周围环境相互作用，从而导致退相干。

这些相互作用将量子比特的纯量子行为，限制在百万分之一秒的时间内。在这个时间范围内，计算必须是快速的、非绝热的，多余的能量激发会改变量子态，导致不可避免的计算错误。

Kibble-Zurek机制表明，当量子比特遇到相变时，会产生最大的计算错误。

图3｜退相干（来源：IoT Practitioner）

美国研究团队的论文中表示，研究小组对一个已知的可解模型进行研究，在此模型中，相同的量子比特只与临近的量子比特发生相互作用，该模型通过分析验证了Kibble-Zurek机制。

为了解决量子退火计算机中有限的操作时间问题，研究团队假设量子比特可以被划分为两个组，每个组内的相互作用相同，但不同组的量子比特的相互作用略有不同，从而增加了模型的复杂性。

在此条件下，团队发现了一种不同寻常的效应。一组在通过相变的过程中仍然产生了大量的能量激发，但另一组仍然处于能量最小值，好像系统根本没有经历过相变一样。

Sinitsyn表示，实验使用的模型高度对称，将模型加以扩展，打破对称性后，依旧能够解决这个问题。

且实验中发现，Kibble-Zurek机制可以得到验证，但这其中有一个转折，那就是一半的量子比特是没有消耗能量的，且表现较好。也就是说，这些量子比特保持了自己的基态。

不幸的是，另一半的量子比特的确产生了许多计算错误。因此，迄今为止，还没有找到量子退火计算机成功经历相变的方法。

4. 一种分离同位素的新方法

除了物质和反物质之间的不对称性可以得益于此项发现外，同位素分离问题也许同样可以得到解决。

例如，天然铀通常必须分离成浓缩同位素和贫化同位素，这样浓缩铀就可以用于核电或国家安全目的。但目前的分离过程成本高、能耗大。

此次研究所发现的效应，可以通过使相互作用的超冷原子混合物，动态地通过量子相变。从而达到选择性地激发或不激发不同的同位素，然后利用现有的磁偏转技术进行分离。

的确，团队目前还没有办法来解决退火时间的限制，但这一发现依旧意义重大。

人们现在可以通过量子退火研究，来解决重大物理问题，而与此同时，也不必过多追求量子退火计算机的极佳运行速度。

封面：

Scitech Daily

引用：

[1]https://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2021/February/0222-quantum-computing.php

[2]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.070602

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