經典物理與量子物理不再涇渭分明，科學家最新發現混沌現象和量子糾纏之間的聯繫

編者按：一個從樹上掉下來的蘋果造就了一個傳奇的科學家。雖然蘋果只是傳說，但是這位科學家確實真真正正一手托起了經典力學，在量子力學誕生前，許多物理學家都認為，物理學的大廈已然建成，需要的只有修修補補了。

然而由於經典力學對微觀世界的解釋越來越乏力，許多科學家們轉向新的思考方式，最終的結果是現代物理的兩大支柱之一——量子力學誕生了。於是對所有的非專業人士來說，物理學描述出來的世界已經從反常識走向了反人類了。

經典力學和量子力學，在幾乎所有人的理解里，都是自稱一體的兩個體系，如同波粒二象性理論出現之前的粒子和波。

而於7月11日發表在《自然·物理》雜誌上的一篇論文，帶來了一點全新的契機，他們發現了的量子糾纏態和經典混亂度之間存在聯繫。而經典力學和量子力學的最終融合，說不定就會從這麼一點契機開始。

藉助一個由3個超導量子比特組成的小量子計算機，加利福尼亞大學聖芭芭拉分校和谷歌的科學家聯合發現，之前被認為無關的兩個現象——屬於經典物理的混沌現象和屬於量子物理的量子糾纏現象——之間存在聯繫。

這一發現意味著可以藉助對可控量子系統的研究來揭示特定自然現象的機理。

該項工作的相關論文於7月11日發表在了《自然·物理》雜誌上，加利福尼亞大學聖芭芭拉分校物理系科研人員查爾斯·尼爾（Charles Neill）為第一作者。「這個聯繫令我們很驚訝，因為主流理論認為混沌是經典物理下的概念，之前沒人預料到在量子系統中能觀測到混沌。類似地，經典物理體系下也沒有糾纏這個概念。但是我們的實驗結果證實，混沌和糾纏是具有明顯的聯繫的。」

經典物理學發源自15世紀，其研究對象是尺寸大於原子和分子的系統的特性，它的體系包括牛頓力學、電動力學、相對論、熱力學和混沌理論，其中混沌理論研究的對象是對初始條件非常敏感，以至於幾乎不可能預測其行為的系統。

天氣就是一個典型的混沌系統，隨便哪個地方的實際天氣數據只要跟輸入預測模型的數值差一點點，就足以使得天氣預報結果——還有你的假期安排——作廢，不論你在地球的哪個位置。

但是，經典物理難以解釋尺寸小到分子和原子量級的系統的運動規律。

因此，20世紀早期誕生了量子物理。量子物理理論相當反直覺，比如量子疊加原理——一個粒子可以同時出現在多個地方，還有量子糾纏——簡單地說，兩個粒子若處於糾纏態，則他們的自旋狀態必然是一正一反，不過在測量之前，我們不知道任何一個粒子的自旋狀態。

然而，如果將兩個粒子的距離拉到任意遠，哪怕隔著整個宇宙也罷，只要測量其中一個粒子的狀態，另外一個粒子的自旋狀態也瞬間隨之確定。

這就好像被測量的粒子瞬間把自己的狀態通知給另一個粒子，讓它把自己的狀態設置為跟被測粒子相反的狀態。

一個自然而然的想法是：經典物理和量子物理之間有何聯繫？尼爾說，所有的物理系統本質上都是量子系統，但目前還沒有合適的量子物理理論來描述物體的混沌運動狀態，比如空氣分子在幾乎為真空的屋子裡的運動。

論文的另一個作者，芭芭拉分校和谷歌研究人員派德拉姆·羅珊（Pedram Roushan）設想了這樣一個場景：一個充滿空氣分子的氣球，你給每個分子打上標籤以追蹤其運動路徑，然後打開氣球口，把氣體分子釋放到一個真空的屋子裡。一種可能的結果是，分子聚成在一起，沿著相同的軌跡，抱著團在房間里運動。

然而根據常識，這樣的結果不太可能發生，一般來說，各個分子會以不同的速度向不同的方向運動，被牆壁彈回，和其他分子相撞，結果整個屋子都充滿了空氣分子。

最終，分子會均勻分布在屋子之中，這個過程是混沌的。但是在量子物理體系中，尚無可靠理論來描述這個過程，因為描述量子力學的數學工具和描述混沌的牛頓力學不是一回事。

為了研究混沌和量子糾纏的關係，科學家們製造了一個包含3個量子比特的量子計算機。普通計算機的比特在某個時刻只能處於一種狀態——0或1，但是一個量子比特可以處於一種既是0又是1的疊加態。

此外，多個量子比特可以形成量子糾纏，這樣，對其中一個量子比特的狀態進行測量，也就知道了其他量子比特的狀態。尼爾用電脈衝改變這些量子比特的狀態，讓它們相互作用、旋轉並形成一個對初始狀態高度敏感的，可以用經典物理體系來描述的系統。

實驗中，量子比特糾纏熵（糾纏程度）的分布圖隨著時間的推移會發生變化。經典力學下的混沌系統隨著時間的推移，混沌程度的分布圖也會發生變化。奇妙的是，量子比特糾纏熵分布圖和經典物理系統的混沌程度分布圖越來越像，其中低糾纏度的區域對應著低混沌度的區域。

研究人員發現，量子糾纏和混沌具有很強的相關性，具體地，兩種效應之間的相互作用使得系統最終服從熱力學規律。

該實驗結果意味著，幾乎所有量子系統，包括量子計算機，如果你讓其持續運行，那麼經過一段時間後，系統的狀態總是可以達到量子級別的平衡態，量子比特之間的糾纏特性能夠用經典物理體系下的熱力學和混沌理論來描述。

該研究成果對量子計算機的研究有重大影響。3個量子比特組成的量子計算機的功能還比較弱，但是科學家正不斷製造擁有更多量子比特的計算機，它們的功能極其強大，可以解決傳統計算機無力解決的問題，諸如機器學習、人工智慧、流體力學和計算化學等。

尼爾稱，只要製造更大的實驗系統，就可以進一步研究人類之前完全無法探究的新領域。

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

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