量子纠缠又赢了。这次,是在一个简单的合作游戏里。
牛津大学和塞维利亚大学的研究人员刚刚在《物理评论快报》(PRL)上发表了一篇论文。他们在实验室里,毫无漏洞地复现了一个叫“奇数环游戏”(odd-cycle game)的非局域游戏,结果明确:量子纠缠的策略,胜率远超任何经典策略。
什么是“奇数环游戏”?规则不复杂,甚至可以拿来玩。
游戏的设定很简单:有一个奇数个座位围成的圆桌,每个座位上有一个盘子,盘子可以被涂上两种颜色。游戏有两个玩家,分别由裁判随机分配一个盘子,要求他们各自决定这个盘子的颜色。但他们不能交流。
赢的条件也简单:如果两人分配到的是同一个盘子,他们的颜色必须一致;如果是相邻的盘子,颜色必须不同。
看上去不难,实际上很难。因为是“奇数环”,意味着不可能用简单的颜色交替来完成所有盘子的涂色。经典策略的胜率有上限,无论怎么优化,都无法突破。
但量子策略打破了这个限制。研究人员让两个玩家在游戏开始前共享一个量子纠缠态。这意味着他们的选择不再是独立的,而是受到量子力学的非定域性影响。
#深度好文计划#结果,胜率暴涨,远超经典物理允许的极限,统计置信度高达26 sigma——在科学研究里,这几乎等同于“无可置疑”。
实验怎么做的?研究团队使用的是囚禁离子(ion trap)技术,选择了两个独立控制的锶离子(strontium ions),间隔2米,一个归“爱丽丝”,一个归“鲍勃”。这两个离子被精确调控,生成了一个远程的量子纠缠态。
这一步是关键。量子纠缠的本质,是两个粒子之间的状态相关性,即便它们相距甚远,这种相关性仍然存在。而在游戏中,这种相关性意味着玩家在独立做决定时,仍然能以超越经典物理的方式保持“同步”。
于是,一个诡异的现象出现了:即使没有任何交流,他们的选择仍然满足游戏规则的要求——远超经典策略的极限。这不是第一次量子计算展示“量子优势”(quantum advantage),但这个实验的特殊之处在于,它提供了一个通俗易懂的例子。
此前的量子优势实验,往往涉及复杂的计算问题,比如Google的“量子霸权”实验,需要使用超导量子计算机来执行特定的数学任务,普通人很难直观理解为什么量子计算更强。
但“奇数环游戏”不一样。它不是一个晦涩难懂的数学难题,而是一个现实中可以直接体验的游戏。规则清晰,策略明确,胜率的计算也简单。
更重要的是,它彻底封堵了一个可能的质疑点:或许量子计算只是比经典计算更快,但并没有真正“超越”经典计算?这个实验直接给了否定答案:不是更快,而是根本上不同。
简单说,经典计算的算法再优化,也有一个理论上限。但量子计算的策略,则直接突破了这个上限。
研究团队还发现,利用相同的资源,他们创造了迄今最高的“非局域性分数”(nonlocal fraction),而且彻底关闭了“探测漏洞”(detection loophole)。这意味着结果完全可信,没有任何经典物理可以解释。
这背后涉及到的,是量子信息科学中的“贝尔不等式”(Bell's inequality)。经典物理的世界是局部实在的,即信息的传递受限于物理距离,不能超光速。但量子纠缠违反了这一点,它表现出某种非定域的行为——两个远距离的粒子状态是相关的,即使它们不能直接通信。
这也是为什么这个实验能证明量子计算的“独特性”:它不是经典计算的增强版,而是根本不同的一种计算模式。
更值得注意的是,研究团队并不打算止步于“奇数环游戏”。
他们接下来的目标,是测试“魔方格游戏”(Magic Square game),这是一种“量子伪心灵感应”(quantum pseudo-telepathy)的例子。在这个游戏里,拥有量子资源的团队可以做到“每次都赢”,而纯经典策略的团队,理论上根本不可能做到这一点。
更进一步,他们还计划增加玩家人数,实验“GHZ游戏”。这其实是一个经典的量子信息实验——“物理学家猜数字”游戏,核心是量子纠缠辅助的通信(entanglement-assisted communication)。
这不再是一个简单的游戏,而是一种对未来量子互联网(Quantum Internet)关键技术的验证。
量子互联网的设想,是让全球的计算机通过量子纠缠进行信息传输,打破传统互联网的速度、加密和计算能力的限制。换句话说,今天的“奇数环游戏”实验,某种程度上就是未来“量子互联网协议”在实验室中的一次小型模拟。
当然,这并不意味着量子计算马上就要取代经典计算。实际上,当前的量子计算机仍然面临诸多技术挑战,比如纠错问题、硬件稳定性,以及可扩展性。
但不可否认的是,量子技术正在不断突破曾经的“物理极限”。