使用由奥地利科学院和维也纳大学研究人员开发的Melvin算法来计算量子物理实验的演示装置。Credit Mehul Malik /维也纳大学

量子力学被公认为是科学史上最成功的、能对实验结果做出最精确预言的理论，另一方面，量子物理学的现象虽然在逻辑上完全是自洽的——但是往往偏离人类的经验逻辑。今天，很多实验物理学家还在验证该领域里在大半个世纪前所做的理论预言。著名物理学家费曼就曾说：“我可以放心大胆地说，现在还没有一个人真正理解量子力学。”

所以，物理学家们寄希望于利用特定的算法，编写计算机程序来实现纯粹的量子逻辑。它们不至于受人类主观经验影响，在理论推导中犯下种种“脑子拧不过弯”的错误。

梅尔文算法(algorithm Melvin)

为了解决2016年提出的一个具有广泛背景的实验理论难题，Melvin发明出了一整套的解决方案。奥地利科学院(ÖAW)和维也纳大学的研究人员进一步发展出梅尔文算法，在实践中被证明惊人的好用。它为量子实验物理方面，提供了强大的技术支持。

最后的问题是，研究人员不明白它为什么会有效。

“在实验室里，这套算法确实能够执行的相当好。”维也纳大学Anton Zeilinger研究团队的的量子物理学家Mario Krenn说到。他同时也是奥地利科学院量子光学与量子信息研究所的小组负责人，在肯定了梅尔文算法的有效性之后，他补充说：“但起初我们并不了解它是如何成功运作的。”

图论

最开始，研究人员在黑暗中摸索前行，直到灵光乍现，意识到他们正在使用的计算工具，本质上是纯数学领域的某个分支——图论。

所谓的图论，就是关于图的理论。在这里一张图只包含最基本的两个对象：点以及点之间的关系。如果两个点具有某种关系(现实模型中比如说两个人相互认识)，就在它们之间连上一条线。只使用点和线就能生成复杂的数学结构和属性；图论里面著名的难题包括四色猜想、一笔画问题、汉密尔顿圈等等。蛋友们小时候有没有试过一笔写一个“田”字，笔画不能重复

研究人员发现了实验量子物理学中，梅尔文算法与图论这一数学理论之间超出人类直觉的深刻联系。

新的实验方法

在科学上，为两种没有明显关系的学科门类搭建出一座沟通的桥梁，往往具有非凡的意义。正如《物理评论通讯》所报道的那样，实验量子物理学和图论之间的相似之处极其有用：在量子理论里晦涩难明的东西，在图论中就可以做出非常精确和新颖的陈述。 Krenn解释说：“量子实验的结果可以用图论工具来计算，图论中的纯理论问题也可以在量子实验中得到解答。”

将多维度的叠加态光子的量子态与图的匹配理论向比较 Credit 论文Quantum Experiments and Graphs

量子物理学家Anton Zeilinger认为这座理论之间的桥梁有希望带领学界通往新的世界：“看到量子物理与数学之间有着这样深刻的联系，无疑令人又惊又喜。这一发现具有哪些具体的潜力，目前还不好说。但是可以预料，它对这两个领域的未来发展都是至关重要的。”

更多信息：Mario Krenn et al. Quantum Experiments and Graphs: Multiparty States as Coherent Superpositions of Perfect Matchings, Physical Review Letters (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.240403

本文译自 phys，由 majer 编辑发布。

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