傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用以"0"和"1"表示的比特來傳輸信息，而量子計(jì)算機(jī)則使用量子比特（量子比特）。與比特類似，量子比特也有兩種主要狀態(tài)或值，即 0 和 1： 然而，與比特不同的是，量子比特可以同時(shí)處于兩種狀態(tài)。

研究人員推出了一種名為 "任意環(huán)境自動(dòng)壓縮（ACE）"的新算法，旨在研究量子比特與周圍環(huán)境的相互作用以及隨之而來的量子態(tài)變化。這種算法以費(fèi)曼對(duì)量子力學(xué)的解釋為基礎(chǔ)，通過簡(jiǎn)化量子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，為理解和利用量子系統(tǒng)提供了新的途徑。其潛在應(yīng)用包括量子電話和計(jì)算的進(jìn)步，以及對(duì)量子相干性和糾纏的更精確預(yù)測(cè)。

雖然這看起來像是一個(gè)令人費(fèi)解的悖論，但我們可以用一枚硬幣做一個(gè)簡(jiǎn)單的類比來解釋。經(jīng)典的比特可以表示為一枚正面朝上或反面朝上（1 或 0）的硬幣，而量子比特可以看作是一枚旋轉(zhuǎn)的硬幣，它也有正面和反面，但只有當(dāng)它停止旋轉(zhuǎn)，即失去其原始狀態(tài)時(shí)，才能確定它是正面朝上還是反面朝上。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)的硬幣停止時(shí)，它可以作為量子測(cè)量的類比，即從量子比特的兩種狀態(tài)中選擇一種。在量子計(jì)算中，不同的量子比特必須聯(lián)系在一起，例如一個(gè)量子比特的 0（1）態(tài)必須與另一個(gè)量子比特的 0（1）態(tài)唯一相關(guān)。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上物體的量子態(tài)相互關(guān)聯(lián)時(shí)，就稱為量子糾纏。

量子糾纏的挑戰(zhàn)

量子計(jì)算的主要困難在于量子比特被環(huán)境包圍并與之相互作用。這種相互作用會(huì)導(dǎo)致量子比特的量子糾纏退化，從而導(dǎo)致它們之間的不糾纏。

用兩枚硬幣做類比有助于理解這一概念。如果同時(shí)旋轉(zhuǎn)兩枚完全相同的硬幣，然后在短暫的時(shí)間后停止，那么它們最終可能都會(huì)出現(xiàn)相同的一面，要么是正面，要么是反面。旋轉(zhuǎn)硬幣之間的這種同步性可以比作量子糾纏。但是，如果硬幣繼續(xù)旋轉(zhuǎn)的時(shí)間更長(zhǎng)，它們最終會(huì)失去同步性，不再是同一面朝上--正面朝上或反面朝上。

失去同步性是因?yàn)樾D(zhuǎn)的硬幣逐漸失去能量，主要是由于與桌面的摩擦，而每枚硬幣都以獨(dú)特的方式失去能量。在量子世界中，摩擦或與環(huán)境相互作用導(dǎo)致的能量損失最終會(huì)導(dǎo)致量子退相干，即量子比特之間失去同步性。這會(huì)導(dǎo)致量子比特失相，即量子態(tài)的相位（由硬幣的旋轉(zhuǎn)角度表示）隨時(shí)間隨機(jī)變化，從而導(dǎo)致量子信息丟失，使量子計(jì)算成為不可能。

高效表示的識(shí)別是全自動(dòng)的，不依賴于任何先驗(yàn)近似或假設(shè)。資料來源：阿列克謝-瓦戈夫

量子相干與動(dòng)力學(xué)

目前，許多研究人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持量子相干性。這可以通過精確描述量子態(tài)隨時(shí)間的演變（也稱為量子動(dòng)力學(xué)）來實(shí)現(xiàn)。

來自 MIEM HSE 量子超材料中心的科學(xué)家與來自德國和英國的同事合作，提出了一種名為"任意環(huán)境自動(dòng)壓縮"（ACE）的算法，作為研究量子比特與其環(huán)境的相互作用以及量子態(tài)隨時(shí)間變化的解決方案。

洞察量子動(dòng)力學(xué)

"環(huán)境中振動(dòng)模式或自由度的數(shù)量幾乎是無限的，這使得量子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算特別具有挑戰(zhàn)性。事實(shí)上，這項(xiàng)任務(wù)涉及計(jì)算單個(gè)量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，而它周圍還有數(shù)以萬億計(jì)的其他量子系統(tǒng)。在這種情況下，直接計(jì)算是不可能的，因?yàn)槿魏斡?jì)算機(jī)都無法處理。然而，并非所有的環(huán)境變化都具有同等重要性：那些與我們的量子系統(tǒng)保持足夠距離的變化無法對(duì)其動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生重大影響。將環(huán)境自由度分為'相關(guān)'和'不相關(guān)'是我們方法的基礎(chǔ)，"論文合著者、MIEM HSE 量子超材料中心主任阿列克謝-瓦戈夫（Alexei Vagov）說。

費(fèi)曼解釋和 ACE 算法

根據(jù)美國著名物理學(xué)家理查德-費(fèi)曼（Richard Feynman）提出的量子力學(xué)解釋，計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)的量子態(tài)涉及到計(jì)算該狀態(tài)所有可能實(shí)現(xiàn)方式的總和。這種解釋假定量子粒子（系統(tǒng)）可以向所有可能的方向運(yùn)動(dòng)，包括向前或向后，向右或向左，甚至回到過去。必須將所有這些軌跡的量子概率相加，才能計(jì)算出粒子的最終狀態(tài)。

"問題在于，即使是一個(gè)粒子也有太多可能的軌跡，更不用說整個(gè)環(huán)境了。我們的算法可以只考慮對(duì)量子比特動(dòng)力學(xué)有重大貢獻(xiàn)的軌跡，而忽略那些貢獻(xiàn)微不足道的軌跡。在我們的方法中，量子比特及其環(huán)境的演化由張量來捕捉，張量是描述整個(gè)系統(tǒng)在不同時(shí)間點(diǎn)的狀態(tài)的矩陣或數(shù)表。然后，我們只選擇張量中與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相關(guān)的部分。

ACE 算法的意義

研究人員強(qiáng)調(diào)，"任意環(huán)境自動(dòng)壓縮"算法是公開的，并以計(jì)算機(jī)代碼的形式實(shí)現(xiàn)。作者認(rèn)為，它為精確計(jì)算多個(gè)量子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)提供了全新的可能性。特別是，這種方法可以估算出量子通信線路中糾纏的光子對(duì)解除糾纏的時(shí)間、量子粒子可以"遠(yuǎn)距離傳送"的距離，或者量子計(jì)算機(jī)的量子比特失去一致性所需的時(shí)間。