@ 2017.12.28 , 19:00
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意外发现:实验量子物理学与图论之间的深刻联系

意外发现:实验量子物理学与图论之间的深刻联系
使用由奥地利科学院和维也纳大学研究人员开发的Melvin算法来计算量子物理实验的演示装置。Credit Mehul Malik /维也纳大学

量子力学被公认为是科学史上最成功的、能对实验结果做出最精确预言的理论,另一方面,量子物理学的现象虽然在逻辑上完全是自洽的——但是往往偏离人类的经验逻辑。今天,很多实验物理学家还在验证该领域里在大半个世纪前所做的理论预言。著名物理学家费曼就曾说:“我可以放心大胆地说,现在还没有一个人真正理解量子力学。”

所以,物理学家们寄希望于利用特定的算法,编写计算机程序来实现纯粹的量子逻辑。它们不至于受人类主观经验影响,在理论推导中犯下种种“脑子拧不过弯”的错误。

梅尔文算法(algorithm Melvin)

为了解决2016年提出的一个具有广泛背景的实验理论难题,Melvin发明出了一整套的解决方案。奥地利科学院(ÖAW)和维也纳大学的研究人员进一步发展出梅尔文算法,在实践中被证明惊人的好用。它为量子实验物理方面,提供了强大的技术支持。

最后的问题是,研究人员不明白它为什么会有效。

“在实验室里,这套算法确实能够执行的相当好。”维也纳大学Anton Zeilinger研究团队的的量子物理学家Mario Krenn说到。他同时也是奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的小组负责人,在肯定了梅尔文算法的有效性之后,他补充说:“但起初我们并不了解它是如何成功运作的。”

图论

最开始,研究人员在黑暗中摸索前行,直到灵光乍现,意识到他们正在使用的计算工具,本质上是纯数学领域的某个分支——图论。

所谓的图论,就是关于图的理论。在这里一张图只包含最基本的两个对象:点以及点之间的关系。如果两个点具有某种关系(现实模型中比如说两个人相互认识),就在它们之间连上一条线。只使用点和线就能生成复杂的数学结构和属性;图论里面著名的难题包括四色猜想、一笔画问题、汉密尔顿圈等等。蛋友们小时候有没有试过一笔写一个“田”字,笔画不能重复

研究人员发现了实验量子物理学中,梅尔文算法与图论这一数学理论之间超出人类直觉的深刻联系。

新的实验方法

在科学上,为两种没有明显关系的学科门类搭建出一座沟通的桥梁,往往具有非凡的意义。正如《物理评论通讯》所报道的那样,实验量子物理学和图论之间的相似之处极其有用:在量子理论里晦涩难明的东西,在图论中就可以做出非常精确和新颖的陈述。 Krenn解释说:“量子实验的结果可以用图论工具来计算,图论中的纯理论问题也可以在量子实验中得到解答。”

意外发现:实验量子物理学与图论之间的深刻联系
将多维度的叠加态光子的量子态与图的匹配理论向比较 Credit 论文Quantum Experiments and Graphs

量子物理学家Anton Zeilinger认为这座理论之间的桥梁有希望带领学界通往新的世界:“看到量子物理与数学之间有着这样深刻的联系,无疑令人又惊又喜。这一发现具有哪些具体的潜力,目前还不好说。但是可以预料,它对这两个领域的未来发展都是至关重要的。”

更多信息:Mario Krenn et al. Quantum Experiments and Graphs: Multiparty States as Coherent Superpositions of Perfect Matchings, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.240403

本文译自 phys,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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  1. 3657430

    好文好文,大学时学的离散数学里涉及一点皮毛,我就感觉这部分很有意思。

  2. 只喝摩卡的狗
    @5 months ago
    3657432

    有时候,这种巧合真的让我不经怀疑,我们身处的世界会不会就是高维生物的一局「Sims」

  3. 3657435

    毕竟数学是唯一真理,不依赖任何观测手段,纯粹推理。

  4. 追梦无悔
    @5 months ago
    3657440

    其实人类没有想象力。佛主给我们的是推理能力。佛主在楞严经里暗语,不要信我,我只是你走进新世界的一扇门。其实学习任何一门科学到最后,都是这种深入骨髓的感悟。

  5. 躁郁狂
    @5 months ago
    3657442

    说不定有一天会发现数论在物理学中的对应现象

  6. 3657458

    @追梦无悔: 科学的极致是哲学,哲学的极致是宗教?

  7. 小甜甜
    @5 months ago
    3657465

    完全看不懂系列, 可以有这样一个系列, 让我认识到自己的智力局限

  8. 青龙山武状元
    @5 months ago
    3657476

    回想起小学奥数被图论支配的恐惧

  9. 你的名字
    @5 months ago
    3657484

    每次看见那怕只有一丁点儿成果,内心都默默感谢科学家们对人类的贡献

  10. 3657492

    @WADE-R: 数学不是真理,数学是描述人类认知真理时思考用的语言。

  11. 3657494

    我已经把这11页论文打印出来了…… 用来治疗自己的失眠。

  12. 18年高考状元
    @5 months ago
    3657503

    所以以后就不要说“这个东西有什么用”了,说不定以后这些东西连起来就能发现宇宙的大秘密了

  13. 3657527

    “田”字可以一笔画,非欧空间
    Ly93dzMuc2luYWltZy5jbi9tdzYwMC8wMDYwbG03VGx5MWZtd3JxZDEya2lqMzFrdzBpcTExbi5qcGc=

  14. 3657529

    文章啥都没写啊。。。

  15. 3657530

    第二作者居然是 顾雪梅。。。

  16. 3657535

    所以,世界是离散的

  17. 3657537

    到原PO里去看了一下,journals.aps.org 里没有免费的存取权限,但原PO

    下面有个回贴里有可下的PDF:https://arxiv.org/pdf/1705.06646.pdf

  18. 3657539

    田可以一笔,非欧空间//ww3.sinaimg.cn/mw600/0060lm7Tly1fmws1s9002j31kw0iq11n.jpg

  19. 拜一刀
    @5 months ago
    3657554

    所以说最应该跨界的或许是科学家,而不是什么明星艺人

  20. 3657580

    和海森堡的矩阵表达差不多吧?

  21. 躁郁狂
    @5 months ago
    3657593

    物理学生又要多学一门数学

  22. 3657760

    @WADE-R: 说谎者悖论已经明示了数学全部基础的脆弱和非唯一性

  23. 3657796

    有种万法归一的感觉

  24. 3657820

    数学和物理的联系是必然的,但找到这种联系非常困难又非常神奇。非常敬佩这些科学家!

  25. 3657917

    物理和数学一直都关系密切,牛顿的物理研究和高数,相对论和黎曼几何,玄理论和卡-丘空间

  26. 3657926

    看起来这个更说明了弦论确实很可能是大统一理论……

  27. 3657933

    @😳: 只是说明非完备而已,数学本身对这个早有研究,这既不说明脆弱也不说明非唯一。

  28. 3658243

    很牛很你会

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