量子糾纏替代標簽：科學家發現量子計算的一項絕對優勢

在量子計算與經典計算的漫長拉鋸戰中，我們往往習慣于聽到“更快”、“更高效”這樣的比較級詞匯。

但近日，來自巴塞羅那自治大學和紐約市立大學亨特學院的研究團隊在《物理評論快報》上拋出了一項更為徹底的結論。

他們證明了在一種特定的“粒子排列游戲”中，量子計算機能夠完成一項經典計算機從物理原理上就無法完成的任務。

這不是關于速度的競賽，而是關于可行性的降維打擊。

這項研究的核心在于一個看似簡單的數學問題：如何在不給每個粒子貼上獨特標簽的情況下，判斷它們是否經歷了奇數次還是偶數次的位置交換。

對于經典世界而言，這是一個死胡同，但對于量子世界來說，這卻是一次利用糾纏態展示魔法的絕佳機會。

經典困境：沒有身份證，就沒有真相

要理解這項突破，我們需要先走進一個經典的思維實驗。

想象一下，你面前有四個球，你的朋友鮑勃在你轉身時重新排列了這些球的順序。

圖片來源：Unsplash/CC0 公共領域

當你轉過身來，你的任務不是復述確切的順序，而是回答一個二選一的問題：鮑勃剛才交換球的位置是偶數次還是奇數次？

這個屬性在數學上被稱為排列的“奇偶性”。

在經典物理的世界里，要解決這個問題，你需要追蹤每一個球的去向。

這就意味著每一個球都必須是獨一無二的，比如分別涂上紅、黃、藍、綠四種顏色。

正如該論文的共同資深作者馬克·希勒里所解釋的那樣，如果其中兩個球顏色相同，你就徹底失去了追蹤線索，根本無法判斷它們是否互換了位置。

因此，經典計算的硬性門檻在于“完全的可區分性”——你需要N個不同的標簽來追蹤N個粒子。

然而，當我們進入微觀世界，情況變得棘手起來。

量子比特（Qubit）作為量子信息的基本單元，本質上是“信息貧乏”的載體，一個量子比特只能承載非常有限的可區分信息。

如果試圖用經典的方法給量子比特“貼標簽”，就好比試圖用只有黑白兩色的油漆去標記四個不同的球，這在邏輯上是行不通的。

按照經典理論，這是一個無解的死局。

量子破局：糾纏態就是新的標簽

這就是量子力學登場的時刻。

研究團隊巧妙地繞過了“貼標簽”這個經典難題，他們提出了一種全新的思路：既然無法給每個粒子一個個體身份，那就給它們一個集體的“靈魂”。

對應于 4 的五個分區的 YD。圖片來源：Physical Review Letters (2025)。DOI：10.1103/yhyv-xnwq

這種集體的靈魂，就是量子糾纏。

研究人員發現，如果讓這些量子比特在初始狀態下就處于某種特定的糾纏態，它們之間就會建立起一種超越空間的內在聯系。

當鮑勃對這些糾纏的粒子進行置換操作時，雖然粒子本身看起來一模一樣，但整個系統的波函數（量子態的數學描述）會發生微妙的相位變化。

這種變化記錄了置換操作的指紋。

愛麗絲不再需要盯著每一個具體的粒子，她只需要對整個糾纏系統進行一次特定的聯合測量。

通過這種測量，她可以直接讀取出排列的奇偶性，而無需知道任何一個具體粒子的最終位置。

這就像是你不需要知道每一張撲克牌具體在哪里，但你能通過某種魔法感應到整副牌被洗了多少次。

論文的另一位資深作者埃米利·巴甘指出，這項研究利用了群論中的表示理論，證明了“糾纏可以替代標簽”。

原本需要N個不同標簽才能解決的經典難題，現在只需要利用量子糾纏的對稱性就能迎刃而解。

這不僅僅是效率的提升，這是從“不可能”到“可能”的質的飛躍。

簡潔之美與未來的計算版圖

這項研究最令人著迷的地方在于它的極簡主義美學。

科學家們并沒有設計復雜的算法迷宮，也沒有引入晦澀的新變換，僅僅是利用了粒子置換這一最基本的操作，就劃出了一條量子與經典之間的絕對界限。

巴甘強調，僅僅通過問一個關于交換次數是奇是偶的基本問題，就展示了清晰無誤的量子優勢。

這對于量子計算領域來說具有深遠的意義。

在過去幾十年里，物理學家們一直在苦苦尋找“量子霸權”的證據，試圖證明量子計算機在某些任務上不僅是更快，而且是具有統治力的。

這項關于粒子排列奇偶性的研究，提供了一個教科書級別的范例。

它告訴我們，量子計算機的優勢可能不僅僅在于算力的堆疊，更在于它看待和處理信息的方式與經典計算機有著本質的不同。

目前，巴甘和希勒里團隊正計劃將這一發現推廣到更廣泛的場景中。

他們希望探索涉及不同對稱群的復雜問題，看看除了簡單的二元奇偶性判斷外，量子糾纏還能解鎖哪些經典物理無法觸及的隱秘知識。

這不僅僅是數學游戲，它關乎我們未來如何設計更強大的量子算法。

當我們不再試圖用經典世界的笨拙規則去約束量子比特，而是順應它們糾纏、疊加的本性時，計算的未來才剛剛開始浮現。

在這個微觀的排列游戲中，量子力學再次向我們證明：在這個宇宙中，并不是所有的信息都需要貼上標簽才能被閱讀。