物理学家设计了一个量子魔方并找到了解决它的最佳方法

量子物理学已经感觉像一个谜题，但现在科学家们已经让它变得更加真实。来自科罗拉多大学博尔德分校的一组数学家设计了一个量子魔方，具有无限可能的状态和一些奇怪的新动作来解决它。

经典（和经典）魔方就是所谓的排列谜题，它要求玩家执行某些作，将许多可能的排列之一重新排列为“已解决”状态。

就臭名昭著的立方体而言，那就是43 quintillion 可能通过一系列受约束的运动，彩色小块的组合被分类成六个颜色一致的面。

但是量子魔方将这种可能性空间增加到了无限。它所需要的只是给求解器一个新的量子动作——能够将一个片段移动到量子叠加中，在那里它既被移动又被未移动同时。

“与玩具店中常见的排列拼图不同，通过叠加，拼图的唯一允许状态的数量是无限的写在他们的论文里.

该团队在排列拼图的简单版本上测试了这个想法：一个二维的 2×2 网格，仅由蓝色和绿色的图块组成。解决的状态是将两个绿色图块放在两个蓝色图块的上方。

在其经典形式中，拼图只有六种可能的排列，包括已解决的状态。任何状态都可以通过交换垂直和水平图块的顺序转换为任何其他状态——禁止交换对角线图块，就像旋转整个拼图一样。

通过将颜色称为“粒子”，并指出由于每个图块与相同颜色的其他图块无法区分，因此它们在某种意义上是纠缠在一起的，从而赋予这个基本谜题量子风味。

尽管 “粒子 ”具有量子触感，但实际上，拼图本身仍然使用经典动作进行。当允许两个不同粒子之间的叠加时，真正的量子版本就会打开。

三种不同类型的模拟玩家从 2,000 次随机争夺中解开谜题。经典求解器的唯一步骤是交换两个相邻的图块。量子求解器只能将成对输入到量子叠加中。组合求解器每次都可以执行任一作。

不出所料，组合求解器表现最好，平均用 4.77 步解决难题。量子求解器紧随其后，平均有 5.32 步，而经典求解器以平均 5.88 步排名最后。

但这并不是说经典物理学领域没有其优势。实际上，经典求解器可以在不到 5 步的时间内比量子求解器更频繁地获得解决方案。但它超出了它的平均值，因为它通常需要两倍的时间，而量子求解器几乎总是在 8 步或更短的时间内完成。

该团队表示，这种所谓的量子优势应该随着更复杂的谜题而变得更加明显。

在求解器使用允许的移动（经典、量子或两者兼而有之）完成排列后，然后通过“裁判”验证解决方案。

如果您熟悉旧的薛定谔的猫思想实验，你会记得测量本身会导致叠加随机成为状态之一。理想情况下，这将是已解决的状态，但如果不是，谜题将再次被打乱，求解器必须重新开始。

这就是经典求解器甚至可以开始解决量子难题的方式。除非他们非常幸运，并且加扰态是六种经典可能性之一（在无限量子选项中），否则他们将不得不做出尽可能接近解的行动，并希望测量将叠加折叠成解态。

尽管量子求解器似乎具有主场优势，但它有一个缺点 – 它需要两次移动才能执行经典的交换作。这就是经典求解器在某些版本的拼图中抢占先机的方式，但为什么组合求解器总是处于领先地位。

该团队还继续创建了量子拼图的 3D 版本，尽管不是完整的立方体。它是 2x2x1 的图块，它也具有无限的可能性，可以通过类似的动作来解决。

在实践中，量子排列谜题有可能使用悬浮在光晶格中的超冷原子阵列来构建。但大多数情况下，这是数学书的思想实验。

该研究已被接受在期刊上发表物理评价 A，并且当前在预印本服务器上可用arXiv.

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