如今，“量子”这个词无处不在——在公司名称、电影片名、甚至剧院中。但从本质上讲，量子这一概念(某种事物的最微小、最离散的量)最初是为了解释物质和能量的最小部分的行为而提出的。

在上个世纪，科学家们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令人惊叹的技术——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即将出现。但即使在这些应用程序成为主流之前，科学家们就正在开发量子代码来执行量子计算，并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，以探索量子领域最奇怪的特征之一：纠缠。这项研究将量子追溯到其根源，试图解释亚原子粒子的行为。

布鲁克海文实验室/SBU理论家DmitriKharzeev解释说：“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，或者彼此感知，即使它们相距很远。”研究。爱因斯坦称之为“幽灵般的超距作用”。但无数实验表明，这种怪异效应是真实存在的。

为了更进一步，哈泽夫和他的同事想看看次级粒子射流中是否存在纠缠现象，次级粒子射流是由高能粒子碰撞中发射的所谓纠缠粒子碎片产生的级联粒子。他们开发了模拟来寻找一股射流中的粒子与同一初始事件连续产生的射流中的粒子之间的相关性。

他们的模拟在《物理评论快报》上发表，揭示了持续的强纠缠，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)以及未来的电子离子对撞机(EIC)的核物理实验中测试这些预测提供了基础。在布鲁克海文的设计阶段。此外，该方法使用在经典超级计算机上运行的量子代码，为改造和利用现有计算资产来运行量子计算的方法提供了见解，直到更实用的量子计算机出现。

检测二次缠结

“如果你在高能碰撞中连续产生夸克和反夸克，你会期望这两个粒子会纠缠在一起，因为它们是在相同的相互作用中产生的，”该研究的合著者、与哈尔泽夫一起工作的戈德哈伯研究员阿德里安·弗洛里奥(AdrienFlorio)说。在布鲁克海文实验室的物理系。“但是检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被‘限制’——配对或三重形成称为强子的复合粒子。”

禁闭难题意味着，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给周围的真空。这种能量会产生新的夸克-反夸克对——每个初始粒子的束缚强子的级联或射流。

射流产生的传统模型对构成射流的粒子进行了三维概率描述。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非常具有挑战性的。

“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。

但通过使用量子位(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位是否纠缠在一起。此外，他们使用了更简单的理论框架，将喷流的复杂性降低到只有二维——一个空间维度加上时间。

弗洛里奥说：“由于夸克和反夸克是在非常高的能量下产生的，它们在量子真空中就像子弹一样沿着直线运动。”“我们只是寻找代表粒子随时间沿直线轨迹变化的量子位之间的相关性。”

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KwangMinYu合作设计的，旨在显示强子在喷气轨迹中特定点的“纠缠熵”是否与强子在相应位置的纠缠熵相关。指向对面的喷射流。

“熵是不确定性的衡量标准，”哈泽夫解释道。“当你的生活中有很多混乱和不确定性时，你的生活就会有大量的熵。”相反，纯量子态的纠缠熵为零。“在这样的状态下，一切都在掌控之中。你清楚地知道自己处于什么状态，所以不存在不确定性，”他说。

但如果两个纯量子态——粒子或量子位——纠缠在一起，“如果你在一个状态中做某事，那么在另一个状态中就会发生一些事情，”他解释道。“这意味着，如果我只测量一个，我就没有关于它的完整信息，因为它的部分状态是由我无法访问的另一个量子态控制的。它的属性和行为将会存在一些不确定性。”熵值不会为零。

“这就好像你和某人有着密切的关系，这个人所做的任何事情都会影响你，反之亦然。所以这意味着你不能完全控制正在发生的事情。这在量子层面上是同样的事情，”哈尔泽夫说道。

为了检测这些纠缠，科学家们寻找代表距碰撞点不同距离的粒子的量子位之间的相关性。哈泽夫将这些计算比作掷骰子，并测量在一个骰子上滚动某个数字在另一个骰子上产生相同数字的概率。

“通过粒子，你可以确定空间中某一点产生的粒子是否与碰撞另一侧空间中同一点产生的粒子相对应。如果它们匹配一次，则可能是巧合。但如果你抛出通过研究数百万个事件，‘骰子’一百万次，它们总是向你显示相同的结果，然后你就知道这些粒子是相关的，或者是纠缠的，”他说。

科学家们发现模拟强子之间的量子相关性是存在的并且相当强。“但在我们的模拟中，我们发现如果二次粒子之间的间距很大，相关性就会消失，”他说。

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

利用计算资产

尽管科学家们使用量子代码编写了模拟，但他们还是在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运行了计算。

“目前，你可以通过少量量子位在经典计算机上模拟它们的行为来获得非常有意义的结果，”CSI的Yu解释道。

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，”于说。

但即使是这些经过优化的经典计算机最终也会随着模拟所需的量子比特数量的增长而达到顶峰——例如，为了在更远的距离上更长时间地跟踪喷流的演化，它必须这样做。

人们正在做出许多努力来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)的一部分参与了这项工作，该中心是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，”哈泽夫说。“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有关量子相互作用的知识来进一步探索量子的行为构成我们世界的量子粒子。”