物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)量子魔方并找到了解決它的最佳方法

量子物理學(xué)已經(jīng)感覺(jué)像一個(gè)謎題，但現(xiàn)在科學(xué)家們已經(jīng)讓它變得更加真實(shí)。來(lái)自科羅拉多大學(xué)博爾德分校的一組數(shù)學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)量子魔方，具有無(wú)限可能的狀態(tài)和一些奇怪的新動(dòng)作來(lái)解決它。

經(jīng)典（和經(jīng)典）魔方就是所謂的排列謎題，它要求玩家執(zhí)行某些作，將許多可能的排列之一重新排列為“已解決”狀態(tài)。

就臭名昭著的立方體而言，那就是43 quintillion 可能通過(guò)一系列受約束的運(yùn)動(dòng)，彩色小塊的組合被分類成六個(gè)顏色一致的面。

但是量子魔方將這種可能性空間增加到了無(wú)限。它所需要的只是給求解器一個(gè)新的量子動(dòng)作——能夠?qū)⒁粋€(gè)片段移動(dòng)到量子疊加中，在那里它既被移動(dòng)又被未移動(dòng)同時(shí)。

“與玩具店中常見(jiàn)的排列拼圖不同，通過(guò)疊加，拼圖的唯一允許狀態(tài)的數(shù)量是無(wú)限的寫(xiě)在他們的論文里.

該團(tuán)隊(duì)在排列拼圖的簡(jiǎn)單版本上測(cè)試了這個(gè)想法：一個(gè)二維的 2×2 網(wǎng)格，僅由藍(lán)色和綠色的圖塊組成。解決的狀態(tài)是將兩個(gè)綠色圖塊放在兩個(gè)藍(lán)色圖塊的上方。

在其經(jīng)典形式中，拼圖只有六種可能的排列，包括已解決的狀態(tài)。任何狀態(tài)都可以通過(guò)交換垂直和水平圖塊的順序轉(zhuǎn)換為任何其他狀態(tài)——禁止交換對(duì)角線圖塊，就像旋轉(zhuǎn)整個(gè)拼圖一樣。

通過(guò)將顏色稱為“粒子”，并指出由于每個(gè)圖塊與相同顏色的其他圖塊無(wú)法區(qū)分，因此它們?cè)谀撤N意義上是糾纏在一起的，從而賦予這個(gè)基本謎題量子風(fēng)味。

盡管 “粒子 ”具有量子觸感，但實(shí)際上，拼圖本身仍然使用經(jīng)典動(dòng)作進(jìn)行。當(dāng)允許兩個(gè)不同粒子之間的疊加時(shí)，真正的量子版本就會(huì)打開(kāi)。

三種不同類型的模擬玩家從 2,000 次隨機(jī)爭(zhēng)奪中解開(kāi)謎題。經(jīng)典求解器的唯一步驟是交換兩個(gè)相鄰的圖塊。量子求解器只能將成對(duì)輸入到量子疊加中。組合求解器每次都可以執(zhí)行任一作。

不出所料，組合求解器表現(xiàn)最好，平均用 4.77 步解決難題。量子求解器緊隨其后，平均有 5.32 步，而經(jīng)典求解器以平均 5.88 步排名最后。

但這并不是說(shuō)經(jīng)典物理學(xué)領(lǐng)域沒(méi)有其優(yōu)勢(shì)。實(shí)際上，經(jīng)典求解器可以在不到 5 步的時(shí)間內(nèi)比量子求解器更頻繁地獲得解決方案。但它超出了它的平均值，因?yàn)樗ǔＰ枰獌杀兜臅r(shí)間，而量子求解器幾乎總是在 8 步或更短的時(shí)間內(nèi)完成。

該團(tuán)隊(duì)表示，這種所謂的量子優(yōu)勢(shì)應(yīng)該隨著更復(fù)雜的謎題而變得更加明顯。

在求解器使用允許的移動(dòng)（經(jīng)典、量子或兩者兼而有之）完成排列后，然后通過(guò)“裁判”驗(yàn)證解決方案。

如果您熟悉舊的薛定諤的貓思想實(shí)驗(yàn)，你會(huì)記得測(cè)量本身會(huì)導(dǎo)致疊加隨機(jī)成為狀態(tài)之一。理想情況下，這將是已解決的狀態(tài)，但如果不是，謎題將再次被打亂，求解器必須重新開(kāi)始。

這就是經(jīng)典求解器甚至可以開(kāi)始解決量子難題的方式。除非他們非常幸運(yùn)，并且加擾態(tài)是六種經(jīng)典可能性之一（在無(wú)限量子選項(xiàng)中），否則他們將不得不做出盡可能接近解的行動(dòng)，并希望測(cè)量將疊加折疊成解態(tài)。

盡管量子求解器似乎具有主場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，但它有一個(gè)缺點(diǎn) – 它需要兩次移動(dòng)才能執(zhí)行經(jīng)典的交換作。這就是經(jīng)典求解器在某些版本的拼圖中搶占先機(jī)的方式，但為什么組合求解器總是處于領(lǐng)先地位。

該團(tuán)隊(duì)還繼續(xù)創(chuàng)建了量子拼圖的 3D 版本，盡管不是完整的立方體。它是 2x2x1 的圖塊，它也具有無(wú)限的可能性，可以通過(guò)類似的動(dòng)作來(lái)解決。

在實(shí)踐中，量子排列謎題有可能使用懸浮在光晶格中的超冷原子陣列來(lái)構(gòu)建。但大多數(shù)情況下，這是數(shù)學(xué)書(shū)的思想實(shí)驗(yàn)。

該研究已被接受在期刊上發(fā)表物理評(píng)價(jià) A，并且當(dāng)前在預(yù)印本服務(wù)器上可用arXiv.

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