超级计算机如何帮助我们将量子纠缠与冷咖啡联系起来

时间:2020-02-12 18:52 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

超级计算机如何帮助我们将量子纠缠与冷咖啡联系起来

都柏林三一学院的理论物理学家们发现了量子力学最引人注目的特征之一——量子纠缠——和热化之间的深层联系。

他们的研究结果今天(2020年1月31日星期五)发表在权威杂志《物理评论快报》上。

我们都熟悉热反应——只要想想随着时间的推移,你的咖啡是如何达到室温的。而量子纠缠则是另一回事。

然而,来自三一学院的马龙·布伦斯博士和约翰·格尔德教授与西尔维娅·帕帕拉尔迪教授和意大利西萨大学的亚历山德罗·席尔瓦教授的合作研究表明,这两者是密不可分的。

在解释这一发现的重要性时,三一学院QuSys小组的负责人古尔德教授解释道:

“量子纠缠是量子力学中一个违反直觉的特性,它允许在某个时间点上相互作用的粒子以一种传统上不可能的方式相互关联。一个粒子的测量结果会影响另一个粒子的测量结果——即使它们相距数光年。爱因斯坦称这种效应为‘幽灵般的远距离作用’。”

“事实证明,纠缠不仅令人毛骨悚然,而且实际上无处不在,更令人惊讶的是,我们生活在一个时代,科技开始利用这一特性来实现一些几年前被认为是不可能实现的壮举。”这些量子技术正在私营部门迅速发展,谷歌和IBM等公司处于领先地位。”

但这一切与冷咖啡有什么关系呢?

Goold教授解释道:“当你准备一杯咖啡,让它冷却一段时间,直到它达到周围环境的温度。这是thermalisation。在物理学中,我们说这个过程是不可逆转的——正如我们所知,我们曾经热过的咖啡不会冷却下来,然后神奇地变暖。作为一名科学家,不可逆性和热行为是如何在物理系统中出现的,这一点令我着迷,因为它适用于原子大小的尺度、咖啡杯,甚至宇宙本身的演化。在物理学中,统计力学是从微观角度理解这一过程的理论。对于量子系统来说,热化的出现是出了名的棘手,也是当前研究的中心焦点。”

那么这些和纠缠有什么关系呢?你的结果是什么?

“在统计力学中,有各种不同的方法,称为系综,你可以用它来描述一个系统是如何变热的,当你有一个大的系统(大约有10^23个原子)时,所有这些方法都被认为是等价的。”然而,我们在我们的工作中展示的是,在过程中不仅存在纠缠,而且它的结构也非常不同,这取决于你选择哪种方式来描述你的系统。它给了我们一种测试统计力学基本问题的方法。这个想法很普遍,可以应用于一系列系统,小到几个原子,大到黑洞。”

三一学院(Trinity)博士候选人、论文第一作者马龙·布伦斯(Marlon Brenes)用超级计算机模拟量子系统来验证这个想法。

Brenes是一名数字专家,他说:“我为这个项目进行的数值模拟已经达到了目前高性能计算水平的极限。为了运行代码,我使用了国家机构ICHEC和那里的新Kay机器。所以,作为一个很好的基础结果,这项工作帮助我们真正地推动了这种类型的计算方法的边界,并建立了我们的代码和国家建筑在最前沿的表现。”

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