文章发表于2026-09-23 09:23:44，归属【科技前沿】分类，已有11人阅读
近一个世纪前，物理学家埃尔温·薛定谔首次提出量子世界里最反直觉的现象之一：当原子等量子粒子发生相互作用时，它们会丧失各自的个体属性，融入一种远大于个体之和、甚至违背日常认知的集体状态——这就是量子纠缠。
过去几十年，研究人员已经把少量粒子构成的理想系统里的纠缠规律摸得很透。可一旦落到真实世界，事情就没那么简单了。就像我们日常接触的所有物质，本质都是大型原子阵列，在这里量子物理定律和热力学定律相互拉扯，局面瞬间变得错综复杂。
极低温环境下，纠缠能跨越长距离蔓延，裹住成百上千个原子，催生出超导这类神奇的宏观量子现象。可温度只要往上升一点，原子的热运动就会剧烈起来，轻而易举扯断纠缠粒子之间那根脆弱的纽带。纠缠究竟是怎么随温度升高一步步瓦解的？这个问题困扰了物理学家很久。
一个四人研究团队给出了一个远超预期的结论：纠缠不只是随温度升高慢慢衰减——在描述真实材料原子阵列的量子系统数学模型里，永远存在一个明确的温度阈值，只要超过这个温度，纠缠就会彻底消失。成果作者之一、麻省理工学院的莫伊特拉说：“它不是指数级变小到可以忽略，而是真的为零。”
其实研究人员早就从各种迹象里猜到了这种行为，还给它起了个名字叫纠缠的“突然死亡”。但之前的证据大多停留在间接观测层面，这次的新成果用严格的数学推导，给纠缠的温度边界划下了一个明确的界限。
更有意思的是，做出这个发现的四位研究者甚至不是物理学家，最开始也完全没打算研究纠缠——他们是一群计算机科学家，是在开发新算法的过程中，意外验证了这个现象。
不管初衷如何，这个结果已经让整个领域的研究者为之振奋。
整个研究的起点，其实是团队对未来量子计算机理论能力的探索。量子计算机正是依靠纠缠、叠加这类量子效应，才能在特定计算任务上甩开传统计算机一大截。
量子计算最被看好的应用方向之一，恰恰就是研究量子物理本身。要是想搞清楚某个量子系统的行为，研究人员得先设计出对应的算法，让量子计算机按流程跑起来，才能给出答案。
但不是所有量子相关的问题，都只有量子算法能搞定。有些问题用普通计算机上的经典算法就能轻松解决，还有些问题不管是经典还是量子算法都很难解决。
为了搞清楚量子算法到底在哪些场景下能体现优势，研究人员经常拿“自旋系统”这类数学模型做测试——它刚好能捕捉相互作用的原子阵列的核心行为。研究者常问的一个问题是：一个自旋系统放在给定温度下，稳定之后会变成什么样？这个最终稳定的状态叫热平衡态，它决定了系统的绝大多数性质，所以长期以来大家都在找能高效计算热平衡态的算法。
这类算法能不能吃到“量子红利”，很大程度上取决于自旋系统的温度。温度特别高的时候，现有的经典算法就能轻松搞定；随着温度降低，量子效应越来越强，问题难度也跟着飙升，有些系统哪怕用量子计算机，也没法在合理时间内算出结果。但这中间的边界到底是什么，一直没人说得清。新成果的另一位作者、加州大学伯克利分校研究员唐依文说：“什么时候必须用量子方法，什么时候量子方法甚至帮不上忙？我们对这些知道得太少了。”
2024年2月，唐依文和莫伊特拉，加上另外两位麻省理工的计算机科学家——博士后巴克希，还有莫伊特拉的研究生刘艾伦——凑到一起研究热平衡问题。2023年他们刚合作完成了一项关于自旋系统其他任务的突破性工作，正琢磨着找个新方向突破。
“我们一起做研究的时候，思路特别顺，那种感觉太好了。”巴克希说。
其实在2023年那次突破之前，三位麻省理工的研究者根本没碰过量子算法，他们的主业是学习理论——计算机科学里专门做统计算法的分支。但就像所有敢闯新领域的年轻人一样，他们反而把“外行”身份当成了优势，能用全新的视角看老问题。莫伊特拉开玩笑说：“我们的优势之一就是不太懂量子，我们知道的那点量子知识，全是Ewin（唐依文）教的。”
团队最开始选了温度相对较高的区间下手，研究者普遍猜测这里应该存在快速量子算法，只是一直没人能证明。很快他们就把学习理论里的一项老技术改了改，搞出了一种新的快速算法。可就在他们写论文的时候，另一支团队抢先发了成果：证明前一年开发的某款量子算法，在高温下表现也很好。他们就这么被“截胡”了。
虽然有点不甘心拿第二，但唐依文和合作者们还是主动联系了那篇竞争论文的作者之一——马德里理论物理研究所的物理学家阿尔罕布拉，想聊聊两边独立得到的结果到底有什么差异。结果阿尔罕布拉读完他们的证明初稿，一下子愣住了：他发现这四位计算机科学家在推导的中间步骤里，顺便证明了另一件事——任何处于热平衡的自旋系统，只要温度超过某个阈值，纠缠就会完全消失。
阿尔罕布拉当时就告诉他们：“哦，这太重要了，非常非常重要。”
团队赶紧改了论文初稿，把这个意外收获放到了核心位置。莫伊特拉说：“说白了这就是我们算法的自然副产品，我们得到的比预想的多太多了。”
早从2000年代开始，研究人员就通过经典计算机的模拟和实验，观察到过这种纠缠突然死亡的现象。但早期工作要么没法直接测量纠缠的消失，要么只在很小的系统里做过研究——小系统的参考价值其实很有限。
阿尔罕布拉说：“之前大家一直怀疑，会不会系统越大，要让纠缠消失需要的温度就越高？”如果是这样的话，突然死亡现象可能只在高到离谱的温度下才会发生，对真实材料来说根本没有意义。之前唯一的理论温度限制，也没法排除这种可能性。但唐依文和合作者的证明直接给出了明确答案：纠缠消失的温度阈值，和系统里的原子总数一点关系都没有，唯一的决定因素是邻近原子之间的相互作用。
就连他们用的证明方法都很不一般。大多数求热平衡态的算法，灵感都来自真实物理系统趋近平衡的过程，但唐依文团队用的技术，和量子物理本身离得非常远。
伯克利的计算机科学家尼基尔·斯里瓦斯塔瓦评价说：“这就是这篇论文最惊人的地方——这个证明某种程度上根本没按物理的路子走。”
四位研究者证明的“高温自旋系统不存在纠缠”，刚好能解释他们新算法的另一个特点：这算法里真正用到量子的部分少得可怜。诚然，算法的最终输出——也就是自旋系统里所有原子热平衡时的取向描述——数据量太大，经典机器根本存不下。但除了生成最终结果的最后一步，算法的所有环节都是经典的。
刘艾伦说：“本质上这就是最琐碎的那种量子计算。”
唐依文之前就做出过“去量子化”相关的成果——也就是证明很多问题其实根本不需要量子算法。这次他们虽然不是有意为之，但偶然得到的纠缠消失证明，其实是一种更极端的去量子化：它不只是说某个特定问题上量子算法没优势，更是说高温自旋系统本身，根本就没有量子特性。
但这绝不意味着量子计算研究者该泄气。已经有两篇新论文找到了低温自旋系统的例子，在这些系统里，计算平衡态的量子算法确实比经典算法强得多，只是这种情况到底有多普遍，还得继续研究。而且，虽然巴克希和合作者这次得到的是个“否定性”结果，但他们用的非传统方法恰恰说明：真正有价值的新想法，往往来自意想不到的方向。
“我们完全可以乐观一点，肯定还有很多疯狂的、没被发现的新算法等着我们去发现。”莫伊特拉说，“在这个过程里，我们说不定还能发现更多奇特的现象。”