這可能是基礎科學的重要突破，一對雙胞胎兄弟分別在南北半球研究量子糾纏態，結果在頂夸克碰撞實驗中意外發現了量子魔法態，這一發現不僅直接將高能物理與量子計算連接起來，而且可能爲量子計算機的發展提供重要的物理基礎和新的突破口。這項研究已發表在12月18日《物理評論D》上。

從雙胞胎兄弟到量子魔法

如果說量子物理已經夠神奇了，那這個故事可能會刷新你對科學的認知。

克里斯·懷特和馬丁·懷特是一對雙胞胎科學家，分別在英國倫敦瑪麗女王大學和澳大利亞阿德萊德大學工作。雖然遠隔萬里，他們研究的卻是量子糾纏——宇宙中最神祕的量子現象，即使身處宇宙兩端，兩個相互糾纏的粒子也心有靈犀，可以瞬間相互影響。

也許正是雙胞胎兄弟之間的默契，才讓他們在研究量子糾纏時，意外發現了這一更爲驚人的量子現象——量子魔法態。

什麼是量子魔法態？

"魔法態"聽起來像是奇幻小說裏的術語，但它是量子計算中一個嚴肅的科學概念。簡單來說，魔法態衡量的是一個量子系統有多難被普通計算機模擬。魔法值越高，就越需要量子計算機來處理。

就像因數分解，小數分解，像是15=3*5，魔法值很低，普通計算機很容易做到，但大數分解，魔法值就非常高，比如RSA加密算法，目前認爲1024位以上就很安全，但真正的量子計算機出來後，它可能分分鐘就完蛋了。

魔法態這一概念，大約2000年左右在研究量子計算的容錯理論時提出的。但這次的發現表明，正如論文中所述，“魔法態可能是當前對撞機實驗中的自然必然性”，它可能和量子疊加、量子糾纏一樣，是量子計算系統中的一個基本特性。

這對雙胞胎原本是在研究頂夸克——宇宙中已知最重的基本粒子。頂夸克的發現是物理學中的一項重要成就，在歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）中，懷特兄弟通過ATLAS和CMS探測器發現，這些頂夸克不僅會產生量子糾纏，還會自發地展現"魔法態"特性。

更令人興奮的是，這種“魔法態”不是靜止不變的，而是隨着粒子的速度和運動方向發生變化。這一發現讓研究人員意識到，控制和利用這種量子特性，可能成爲量子計算機突破的關鍵。

要理解這項發現的重要性，我們必須從量子計算的需求出發。魔法態是構建實際量子計算機的重要資源之一。量子計算機的強大能力恰恰在於能夠處理那些經典計算機無法模擬的量子態。通過生成和操控魔法態，量子計算機將能夠突破經典計算機的性能瓶頸，解決諸如大規模數據處理、複雜物理模擬和化學反應預測等問題。

簡單地說，這就像在研究電的過程中，科學家們意外發現了超導現象。這一發現不僅推動了電學的研究，也開啓了一個新的研究領域，催生了大量新的技術應用。

而在量子計算領域，魔法態的發現無疑將推動量子計算機從理論走向實際應用。

這項研究可能帶來以下三個重要影響：

爲量子計算機的發展提供新思路：研究人員不僅發現了魔法態的存在，還爲如何利用這一現象提供了可能的研究路徑。隨着對魔法態的進一步探索，量子計算機的處理能力和可靠性將得到極大增強。

開創高能物理與量子計算交叉研究的新領域：這一發現直接將高能物理和量子計算領域連接起來，展現了兩者之間可能存在的深層次聯繫。這爲未來的跨學科研究開闢了新的方向，推動了量子信息學的進一步發展。

幫助解決量子計算機面臨的技術難題：量子計算機目前面臨着大量的技術挑戰，尤其是量子糾錯和量子態的穩定性。通過進一步研究魔法態，科學家們有可能找到新的方法來解決這些難題，使量子計算機更加可控和穩定。

這一發現也讓我們重新認識了大型強子對撞機（LHC）的潛力。LHC不再僅僅是尋找新粒子的工具，它如今已成爲研究量子計算資源的獨特平臺。通過在LHC中研究頂夸克的量子態，科學家們不僅可以驗證量子物理的基本理論，還能夠爲量子計算的發展提供更加實用的實驗數據和資源。

這就像是考古學家在金字塔中發現了外星科技的設計圖，完全出乎意料，卻又令人激動不已。

雖然從發現到應用還有很長的路要走，但這項研究無疑爲量子計算的未來打開了一扇新的大門。量子魔法態的發現，不僅可能讓我們像量子糾纏一樣，揭示出量子物理與計算之間更深層的聯繫，還爲進一步研究量子計算資源提供了新的實驗平臺，並且可能成爲未來更多革命性技術的源泉。

正如這對雙胞胎兄弟所展示的：科學的真實面目，有時候可能比魔法更神奇。

參考文獻：

White, C. D., & White, M. J. (2024). Magic states of top quarks. Physical Review D, 110(11), 116016.

Aad, G., et al. (2024). Observation of quantum entanglement in top-quark pairs using the ATLAS detector. Nature, 633, 542.

Barr, A. J., et al. (2024). Quantum entanglement and Bell inequality violation at colliders. Progress in Particle and Nuclear Physics, 139, 104134.