量子纠缠与热化过程有何联系?

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量子纠缠与热化过程有何联系?

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编辑 | 韩若冰、琵思佛

编译 | 董唯元、刘航、于槐、刘天同

量子纠缠是量子力学中一种违反直觉的现象：在某一时间曾有过相互作用的粒子仍然彼此关联，即使两个粒子之间相隔好几光年，在一个粒子上进行测量也会影响另一个粒子的测量结果。这种效应被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距作用”。

我们现在知道，量子纠缠不仅仅如同鬼魅，而且非常普遍。在我们生活的时代，量子纠缠效应开始得到实际应用，譬如用于加密和通信。

量子纠缠现象一直令人们着迷。最近，都柏林大学三一学院的理论物理学家发现了量子纠缠和热化现象之间的深刻联系[1, 2]。热化现象就是一个物体与周围环境相互作用，逐渐达到热平衡的过程，比如冬天里一杯热呼呼的咖啡逐渐冷却到和周围温度相同的过程。那么，量子纠缠与热化现象到底有什么联系呢？

在物理学中我们说热化过程是“不可逆的”，一杯咖啡不会先凉下来，然后魔术般地重新变得热乎乎。小到原子尺度，大到一杯咖啡，甚至宇宙自身的演化，不可逆性和热力学行为如何出现，一直是个吸引人的问题。在物理学中，我们用统计力学从微观角度理解这一过程。

在统计力学中，有几种不同的描述系统的方法，我们称之为系综，它们都可以用来描述系统如何达到热平衡。过去人们相信，对于足够大的系统，也就是粒子数大约为1023量级的系统，这些系综都是等价的。

然而，在这项新研究中物理学家发现，纠缠存在于热化过程当中，而且随着描述系统的方式不同，尽管可观测量的平均值与涨落没有区别，但纠缠结构却有很大不同。因此，这就为我们提供了一种方式来测试统计力学中的基础问题。这个想法对于一系列不同尺度的系统是普遍通用的，小到原子，大到黑洞，都可以实行。

[1] Brenes M, Pappalardi S, Goold J, et al. Multipartite entanglement structure in the Eigenstate Thermalization Hypothesis[J]. Physical Review Letters, 2020, 124(4): 040605.

[2] https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-01/tcd-hsa013120.php