近日，科學家證明了量子復雜度在很長一段時間內(nèi)呈現(xiàn)指數(shù)級線性增長，這將有助于理解從黑洞到復雜多體的混沌量子系統(tǒng)的物理性質(zhì)。
近些年，科學家運用理論物理學，提出了一些猜想以彌補量子物理學和引力理論之間的鴻溝，并希望能夠以此描述復雜量子多體系統(tǒng)的行為，例如宇宙中的黑洞和蟲洞。復雜的量子多體系統(tǒng)可以通過量子比特電路來制備。但究竟需要多少基本操作來制備所需的狀態(tài)?從表面上看，該系統(tǒng)的復雜性似乎一直在增加。斯坦福大學物理學家Adam Brown和Leonard Susskind將其表述為一個數(shù)學猜想，即多粒子系統(tǒng)的量子復雜性首先會在天文數(shù)字的時間長度內(nèi)呈現(xiàn)線性增長，然后在更長一段時間內(nèi)保持最大復雜性的狀態(tài)。他們的猜想來自于理論上的蟲洞行為，即蟲洞的體積似乎在很長的時間內(nèi)呈線性增長。
此次，由德國柏林自由大學、柏林亥姆霍茲研究所(HZB)和美國哈佛大學等研究人員組成的一個理論小組，僅用紙筆分析，就成功證明了前述關(guān)于復雜量子多體系統(tǒng)行為的數(shù)學猜想。相關(guān)成果近日發(fā)表在《自然物理學》(Nature Physics)上。
“我們發(fā)現(xiàn)了一個非常簡單的方法來解決這個重要的物理問題，”德國柏林自由大學理論物理學家Jens Eisert表示，“我們的研究成果為理解從黑洞到復雜多體的混沌量子系統(tǒng)的物理性質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。”
基于Adam Brown和Leonard Susskind的數(shù)學猜想，研究人員進一步推測從兩個不同的角度來看，蟲洞的復雜性和體積是一個相同的量。“這種描述上的冗余也被稱為全息原理，它是統(tǒng)一量子理論和引力的重要方法，”論文第一作者Jonas Haferkamp說道，“Brown和Susskind關(guān)于復雜性增長的猜想可以被看作是對全息原理的合理性檢驗。”
前述研究團隊通過結(jié)合幾何方法和量子信息論方法，證明了隨機電路的量子復雜性確實隨時間線性增加，直到在與系統(tǒng)大小成指數(shù)關(guān)系的時間點才會達到飽和。這種隨機電路是多體系統(tǒng)動力學的有力模型。“這種新方法使得解決絕大多數(shù)系統(tǒng)的猜想成為可能。”Haferkamp說道。
