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科学家发现:量子纠缠可用于验证不可解问题的解决方案

2020-01-26 12:09:05 暂无 阅读:1177 评论:0

来源:量子认知

假设你有一个朋友声称,可以推断出百事可乐和可口可乐之间的区别,即使你无法区分这两者。但是你可以证实这一说法,你,作为验证者,可以分别准备一杯百事可乐和可口可乐,并考验你的作为证明者的朋友。如果你的朋友始终对此类问题都能给出正确的答案,那么你将确信可乐识别的难题已得到解决。这种策略被称为交互式证明(interactive proof)方法。

同样地,无论在物理、计算机科学,还是在数学领域,无论是科学家还是通常的人们,往往会遇到许多同样类似的情况。证明者所提出的问题,验证者并不知道如何解决这个问题,但是可以提供方案来验证这些看似不可解决的问题。

科学家发现:量子纠缠可用于验证不可解问题的解决方案

在计算机领域,有许多任何计算机都无法解决的复杂问题。但是人们相信,再复杂的问题应该有解决的方案,而且人们确实是在尽其各种可能来探索这些解决问题的方案。但是现在,计算机科学家报告说,他们终于找到了梦寐以求的验证任何问题的解决方案的方法。

最近,一个由计算机科学家、物理学家、数学家联合组成的科学研究团队发表了一篇长达165页的长篇论文。这篇论文目前尚正在等待同行评审正式发布,却已在著名的《自然》杂志上,以及在许多媒体被高度地评价了这一重要论文。这篇论文提供了这一方法,就是量子纠缠的方法。他们从理论上证明了,量子纠缠策略可以快速验证解决各种问题的解决方案,其中包括一开始哪怕就是认为是无法解决的问题。

科学家发现:量子纠缠可用于验证不可解问题的解决方案

这项新研究解决了物理、计算机科学和数学方面许多年来长期未解的问题,在许多理论分支将会产生连锁反应。许多人会感到奇怪,量子纠缠是遥远物体之间的一种量子物理的怪异联系,它怎么可以用来验证物理、计算机科学和数学方面中许多即使是不可解决问题的方法呢?

在计算机科学中,某些问题很难解决,但解决方案易于检查。因此,研究人员根据计算机验证所称答案的难易程度对问题进行分类。对于难以验证的方案,科学家们可以提出一些技巧,比如编造一些场景,试图检查解决方案的“验证者”向“证明者”提出了很多问题,其中“证明者”声称是问题的解决方案的计算机或人。

通过交互式证明的策略,可以揭示其它信息,这些信息将使计算机科学家能够验证对于计算机难以说服科学家独立的问题的解决方案。更强大的交互式证明策略涉及多个证明策略。这种情况有点像警方对两名嫌疑犯的讯问,这些嫌疑犯被隔离在不同的房间里,他们无法协调他们的答案以欺骗调查员。

科学家发现:量子纠缠可用于验证不可解问题的解决方案

为了检查更大范围的问题的解决方案,科学家可以想象添加一种特殊的联结:证明者共享一个称为纠缠的量子连接,该纠缠使两个看似独立的物体以相关方式表现。结果表明,“令人难以置信的大量问题”,都可以用量子纠缠来验证。

这就像你进入一个山洞,在黑暗的尽头遇到一对密闭的房间。虽然这两个房间之间无法相互交流,但它们对你问题的看似随机的回答,实际上是与事物的本质相联系。为了获得想要的答案,必须首先设计出问题。

这些问题称为RE类问题,RE,英文:recursively enumerable class 的简称,表示在数学、逻辑和计算机科学中的递归可枚举问题,也叫做部分可判定问题、或图灵可识别问题的形式语言类型。

科学家发现:量子纠缠可用于验证不可解问题的解决方案

论文作者之一、多伦多大学华人计算机科学家、亨利·袁(Henry Yuen)说:“它包含了所有可以通过计算机解决的问题,还有其它一些问题。” ”令人难以置信的是‘还有其它一些问题’。没有计算机能够彻底解决这些问题,但是如果是无所不能的纠缠有解决方案,则可以说服人们这样做是正确的。“

该论文的标题就是一个简洁的等式:MIP* = RE,其中MIP* 表示具有量子纠缠的多证明人交互式证明。RE中的每个问题也在MIP* 中,反之亦然。在计算复杂性理论内,IP是由特定交互式证明系统所能解决的一类问题:验证者是一个在概率多项式时间的图灵机,双方可以交换多项式p(n)次信息,最后验证者必须在1/3的错误率以内决定n是否在这个语言之内。MIP是一种假想的证明系统,在该系统中,常规计算机会问到一对相互了解但又不一定诚实的“正式”问题。

这篇论文除了揭示MIP* 等于RE之外,它还回答了另外两个悬而未决的问题,一个是物理学问题,另一个是数学问题。在物理学方面回答了悬而未决的称为齐雷尔森问题(Tsirelson problem)的量子物理学难题,它问是否可以通过非常大但有限的纠缠,来近似估计使用无限量的纠缠可以产生的量子相关类型。研究表明,答案是否定的:有时甚至无法接近用有限纠缠来复制无限纠缠。在数学方面回答了悬而未决的康恩斯嵌入猜想(Connes’ embedding conjecture),这在数学上等同于齐雷尔森问题,即有限逼近是否一定可以复制真正无限的东西。同样地,答案是否定的。

《自然》杂志高度评价道,如果确实“是一个非常漂亮的成果”,这篇论文将一举解决纯数学、量子力学和量子计算机科学中被称为复杂性理论的许多相关问题。

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