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复杂的量子态该如何描述-【新闻】

发布时间:2021-05-24 09:56:59 阅读: 来源:伺服阀厂家

复杂的量子态该如何描述?对于一个由上千个粒子组成的大量子系统来说,人们很难获得它的所有信息。但我们可以通过一项新技术,根据连续矩阵产品状态(cMPS)对其进行描述。

长久以来,人们开展的量子实验中仅涉及到少量粒子,而且很难描述单个原子或分子的性质。现在,我们可以在一个实验中控制大量粒子,但在理论计算方面仍存在严重问题。

维也纳科技大学(TU Wien)和柏林自由大学(Free University of Berlin) 的科学家提出了量子成像法(quantum tomography method),利用这种方法,科研人员只需要一些简单的测量就可以获得关于量子系统的相关信息。其基本原理很简单:尽管系统可能具有许多量子态,但我们几乎可以忽略其中的大多数。

多量子,多状态

当我们抛出一枚硬币后,看到的结果不是硬币的正面就是反面。但量子态的情况却没有这么简单,当一个量子系统可以存在于两种不同的状态时,这两种状态的混合态也是一个物理上可允许的状态。因此量子粒子的状态比桌子上一枚硬币的情况更加复杂。

维也纳量子科学与技术中心(Vienna Center for Quantum Science and Technology,VCQ)的教授Jrg Schmiedmayer表示:粒子越多,其状态越复杂,描述量子态所需的存储容量也就越大。对于由几百个量子粒子组成的系统来说,其中量子状态可能比原子量子态还要多。

但并不是在所有情况下,我们都有必要确切地知道量子态。Jens Eisert教授带领的研究小组研发出了一种新方法,他们能够通过一种特殊状态对量子态进行描述,即所谓的连续矩阵产品状态。在所有可能的状态中,这种特殊状态只是其中很小的一部分,但从物理学角度来看它们尤为重要。Jens Eisert表示:理论上来说,这种量子纠缠状态(众多量子粒子之间特殊、复杂的纠缠模式)是行得通的,但实际上它们并不存在于物理系统中。这也是在计算中我们只能采用连续矩阵产品状态的原因。

对于任何可能的量子状态,都会存在一种与真实状态相接近的连续矩阵产品状态。无论系统处于哪一种状态,连续矩阵产品状态所产生的误差都很小。Eisert表示:这就像数学分数,有理数可以写成分数,但只代表一小部分实数。但对于任何实数来说,我们都可以找到与其相近的分数。 不是分数,但应用于便携式计算器中的近似值,已经能够满足生活中所有实际需要,这已经足够了。

产生量子图片的测量方法

在实验中将一个系统限制于连续矩阵产品状态,就可以获得大型量子系统的真实信息。Schmiedmayer小组的实验负责人Tim Langen表示:虽然我们不能从为数不多的测量中,获得完整的知识系统,但利用这种新方法,我们能够通过一些测量重建量子态。并且其精度会很高,使得我们可以利用这种近似状态预测下一阶段的测量结果。这种技术被称为量子层析扫描(quantum tomography),就像应用于医疗设备中的计算机断层扫描技术(computer tomography),该技术通过一些照片计算出3 d模型,同理量子层析扫描技术通过一些测量来计算量子态。

这一新方法不仅为多体量子物理学开辟了广阔前景,同时也为新型量子模拟器(在这种方式下生成的量子系统,可以用来模拟那些无法通过标准方法进行控制的量子系统)开辟了道路。Schmiedmayer表示:当可以通过同一个基本公式对两个不同的量子系统进行描述时,我们就能够通过研究其中一个系统,深入了解另一个系统。我们可以控制量子芯片上成千上万个原子,因此这个系统非常适合应用于未来的量子模拟。

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