验证量子达尔文理论！浙江研究团队用量子芯片探索经典客观实在性

近日，浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）未来科学研究院量子计算创新工坊郭秋江团队联合浙江大学物理学院团队、休斯顿大学Rubem Mondaini教授团队和美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Akram Touil博士后，在超导量子芯片上观测到了高度结构化的量子分支态 （branching state）与量子互信息（quantum mutual information）平台，有力验证了量子达尔文理论框架，解释了为何经典客观实在性能在量子宇宙中稳定的存在。

8月2日凌晨，相关研究成果以“Observation of Quantum Darwinism and the Origin of Classicality with Superconducting Circuits”为题目发表于国际学术期刊《Science Advances》。

作为物理学最辉煌的成就之一，量子力学用五条简洁公设描绘世界：波函数公设，演化公设，算符公设，测量公设和全同性原理。

其中的四条都有着明确的定义，唯有测量公设中的一个奇特概念——波函数坍缩——令科学家们至今无法完全理解，例如，波函数坍缩在何时发生，又在何时完成？这些问题并没有明确的答案。

本世纪初，美国理论物理学家Wojciech Zurek另辟蹊径，提出量子达尔文理论框架：环境与系统的耦合如同一场“自然选择”，使系统中的特定信息非但未被破坏，反而被大量复制并保留下来；即使不同的观察者只能获取部分信息，他们仍能获得一致的观测结果。

就像两人同时观察一棵树，各自接收的光线并不相同，所见却毫无二致——正是在环境的“优胜劣汰”中，这些信息脱颖而出，汇聚成我们稳定而共享的宏观现实，这也是量子达尔文名称的由来。

那么，哪些信息更容易“存活”下来呢？量子态可以在不同的基矢下展开，其中有一类基矢非常稳定，被称作“指针态”（pointer state）。系统在与环境不断进行相互作用后，最终只有指针态会保留下来，指针态上所携带的信息就在“优胜劣汰”下成为了赢家，这就是量子态中的分支结构（branching structure）。

事实上，系统与环境的每一次相互作用，都像一次无声的筛选：非指针态迅速退相干，指针态则“屹立不倒”。于是，量子态在希尔伯特空间中分叉，每一根分支都对应一个指针态，观察者最终会稳定地“落脚”于其中一根，而其余分支虽真实存在，却对其不可见——恰似平行宇宙的幽灵。

为了展示这一过程，研究团队选取超导量子芯片上的12个量子比特，将其中2个作为系统，另外10个作为环境，模拟了这场“自然选择”，观察到了量子态的分支结构。

团队设计了一类受控幺正演化两比特门，将其应用于数字量子电路中以模拟系统和环境间的相互作用，并利用几何量子力学将系统的量子态展示在布洛赫球上。

随着环境比特数量N的增加，系统量子态趋向于布洛赫球南北两极，这代表着分支结构逐渐形成。最终所有的观察者都会一致地报告：系统位于南极（或北极）。

而在另一个“平行宇宙”里，观察者则会给出相反却同样自洽的答案。只有站在上帝视角才能同时观测到这两条并行的量子分支。

以我们对一棵树的观察为例，当两个人同时看向一棵树时，不同的光子在和树进行相互作用后，通过反射进入了人的眼睛，人通过接收光子得知了树的信息，两人接收的光子虽然不同，但观察到的树的颜色和形状都是一样的，这正是因为在和周围环境的大量相互作用下，只有指针态留存了下来，不同的光子都携带了关于指针态的相同的信息，从而使得观察结果具有一致性。

团队还在9比特体系上使用量子态层析的方法测量了量子互信息、Holevo界限和量子失谐（quantum discord）等重要的可观测量，它们分别度量了同时储存于环境和系统的信息、通过最优测量基矢能够得到的系统最大信息、系统与环境之间的量子关联。

随着环境尺寸的增加，量子互信息会先上升后不变，直至环境尺寸接近最大时，量子互信息突然上升至最大。量子互信息中间的平台就代表了经典信息的冗余性，每个观察者观察到的都是系统的一小部分经典信息。

量子世界的神奇之处在于它可以同时处于多种状态，但为什么我们在宏观世界看到的都是确定的结果？

这项研究提供了一个潜在答案：就像很多人同时观察一棵树会得到相同的结论一样，量子系统在和环境的不断相互作用中，最终只留下了最稳定的状态。

这为解释微观世界如何过渡到我们所熟悉的宏观世界提供了新思路——原来，量子与经典的界限，就藏在我们每一次观察世界的瞬间。

本文的同等贡献第一作者为：朱子天（浙江大学博士生）、Kiera Salice（休斯顿大学博士生）、Akram Touil（美国洛斯阿拉莫斯国家实验室博士后）。通讯作者为：郭秋江（浙江大学杭州国际科创中心百人计划研究员）、Rubem Mondaini（美国休斯顿大学教授）。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金的支持。