量子位缺乏对称性：可能解释物质反物质

发表在这一期的《物理评论通讯》上的一篇重要论文报告说，一个量子科学家团队在试图解决量子退火计算机基本问题时，必须以相对较慢的速度运行才能正常运行，结果发现了一些新的东西。在研究量子退火器以比预期更快的速度运行时的表现时，量子位缺乏对称性无法解决量子计算中的错误，研究小组却发现了一种新的效应，该效应可能解释了宇宙中物质和反物质的不平衡分配，以及一种分离同位素的新颖方法。

论文第一作者、颜斌（Bin Yan）为洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）博士后研究员。论文主导之一、沃伊切赫·祖雷克（Wojciech Zurek）为当代著名量子理论学家，领导洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论天体物理组，在量子退相干、量子和经典信息理论、缺陷生成的非平衡动力学、以及天体物理学等领域卓有成就。

在介绍这篇论文研究成果前，我们得从一个以该论文作者之一、祖雷克所命名的基布尔-祖雷克机理说起。

基布尔-祖雷克机理，英文：Kibble–Zurek mechanism，缩写KZM，描述系统非平衡动力学和拓扑缺陷的形成。祖雷克和他的同事基布尔提出了一种范式框架，用于理解非平衡过程中缺陷的产生，特别是用于理解当二阶相变点以有限速率越过时所产生的拓扑缺陷。该范式涵盖了具有巨大变化和大规模的现象，从早期宇宙的结构形成到超流体的涡旋生成。这种缺陷生成的关键机制被称为基布尔-祖雷克缩放机制，由此产生的缩放定律被称为基布尔-祖雷克缩放律。

该机理描述了量子非绝热跃迁，对对称破坏相互作用的指数敏感性，以分别控制不同的准粒子。即当量子系统的参数随时间绝热地变化时，系统保持在例如基态的瞬时本征态。该机制预测，如果宏观系统通过量子能级，而该能级与能级之间的能隙闭合，那么非绝热激发的数量就不会成指数地受到抑制。如果没有相互作用的不对称性，不同的粒子将同时通过相同的相变。但是，即使临界点不被破坏，即使很小的不对称，也通常会为某些激发类型打开间隙。因此，可以收获一种类型的激发而抑制其他类型的激发。

证实基布尔-祖雷克机理的一个重要示例是，横向磁场中均匀伊辛自旋链的模型，具有哈密顿量:

其中σ(x,z)表示第n个自旋的泡利运算符，J是n个自旋-自旋耦合，B是随时间变化的横向随时间变化的磁场，其比率 β>0。该模型在B = ±J处有两个狄拉克点，在这两个点处其光谱缝隙闭合，并标记了三相之间的边界。具有强量子相关性的相位（下图顶部）包含点B = 0，其中两个退化的基态：

|→→···→→ 和 |←←···←←

对于B（t）= -βt，模型是完全可求解的。如果系统从完全极化的基态开始：

如图所示，图的上部为横向磁场中伊辛链（Ising chain）相图。虚线水平线表示光谱间隙闭合的临界点。具有强量子相关性的相位包含点B=0，其中两个退化的基态。在B=±∞时，基态沿z轴完全自旋极化，而在B=0时，基态是x极化自旋态的叠加。

下图：手性对称性破坏的自旋链模型。考虑b1>b2的情况。在绝热极限下，t=-∞时的初始自旋极化基态（顶部）转移到t=+∞时的自旋极化态，所有自旋都翻转了。基于基布尔-祖雷克机制，将奇数点子晶格（红色）上的非绝热激发（非翻转自旋）抑制为幂定律。相反，偶数位子晶格（蓝色）上的非绝热激发被指数级抑制。

基布尔-祖雷克机理理论预测，当量子位遇到相变，即其集体量子态非常尖锐的重排时，发生最多的错误。

在量子退火计算机中，首先通过施加强外部磁场以简单的最低能量状态制备量子位。然后，该场被缓慢关闭，而量子位之间的交互被缓慢地打开。

颜解释说：“理想情况下，退火的运行速度足够慢，可以以最小的误差运行，但是由于退相干，因此必须更快地运行退火。”该团队研究了退火炉以更快的速度运行时出现的影响，这将它们限制在有限的运行时间内。

“根据量子力学中的绝热定理，如果所有变化都非常缓慢，即所谓的绝热缓慢，那么量子位必须始终保持最低能量状态。” “因此，当我们最终对其进行测量时，我们会找到所需的0和1的配置，该配置可最大程度地减少所感兴趣的功能。

研究人员研究了一种已知的可解模型，其中相同的量子位仅与沿链的相邻量子位相互作用。通过分析验证了基布尔-祖雷克理论。在理论家寻求解决量子退火计算机中有限的工作时间的问题中，他们假设量子位可以分成两组，每组中的相互作用相同，但来自不同组的量子位的相互作用稍有不同，从而增加了该模型的复杂性。

在这种混合物中，发现了一种不寻常的效果：一组在通过相变过程中仍然产生了大量的能量激发，而另一组保持在能量最小值，就好像系统根本没有经历相变一样。

研究人员解释说：“我们使用的模型是高度对称的，以便可以求解，我们找到了一种扩展模型，打破这种对称性并仍能求解的方法。” “然后，我们发现，基布尔-祖雷克理论得以幸存，但存在一个扭曲，一半的量子比特并没有消散能量，并且表现得“很好”。换句话说，他们保持了自己的基态。”

不幸的是，另一半的量子位确实产生了许多计算错误，因此，到目前为止，量子退火计算机中尚无法解决通过相变的问题。

目前可用的量子退火器，与到目前为止的所有量子计算机一样，由于它们的量子位与周围环境的相互作用而受到阻碍，这会导致退相干。这些相互作用将量子位的纯量子行为限制在大约百万分之一秒。在这个时间范围内，计算必须是快速与绝热的，不需要的能量激发会改变量子态，从而不可避免地引入计算错误。

量子位缺乏对称性无法解决量子计算中的错误，重要的是，研究发现暗示着未来至少如何解决两个著名的科学问题。第一个是宇宙中物质与反物质之间的明显不对称性。

物质和反物质都来自宇宙诞生时产生的能量激发。物质与反物质相互作用的对称性被打破了，但是非常微弱。与宇宙学尺度上的反物质相比，这种微妙的差异如何导致观察到的物质占主导地位尚不完全清楚。

该研究发现表明，这种不对称在物理上是可能的。当大型量子系统经过相变时，即当量子态的非常尖锐的重排时，就会发生这种情况。在这种情况下，强大但对称的相互作用会大致相互补偿，细微而持久的差异可以起决定性作用。

受益于这种效应的另一个长期存在的问题是同位素分离。例如，天然铀通常必须分离为富同位素和贫同位素，从而富铀可用于核电或其它用途。当前的分离过程昂贵且耗能。所发现的效应意味着，通过使相互作用的超冷原子的混合物，动态地通过量子相变，可以选择性地激发或不激发不同的同位素，然后使用可用的磁偏转技术将其分离。