量子物理學已經感覺像一個謎題，但現在科學家們已經讓它變得更加真實。來自科羅拉多大學博爾德分校的一組數學家設計了一個量子魔方，具有無限可能的狀態和一些奇怪的新動作來解決它。

經典（和經典）魔方就是所謂的排列謎題，它要求玩家執行某些作，將許多可能的排列之一重新排列為“已解決”狀態。

就臭名昭著的立方體而言，那就是43 quintillion 可能通過一系列受約束的運動，彩色小塊的組合被分類成六個顏色一致的面。

但是量子魔方將這種可能性空間增加到了無限。它所需要的只是給求解器一個新的量子動作——能夠將一個片段移動到量子疊加中，在那里它既被移動又被未移動同時。

“與玩具店中常見的排列拼圖不同，通過疊加，拼圖的唯一允許狀態的數量是無限的寫在他們的論文里.

該團隊在排列拼圖的簡單版本上測試了這個想法：一個二維的 2×2 網格，僅由藍色和綠色的圖塊組成。解決的狀態是將兩個綠色圖塊放在兩個藍色圖塊的上方。

在其經典形式中，拼圖只有六種可能的排列，包括已解決的狀態。任何狀態都可以通過交換垂直和水平圖塊的順序轉換為任何其他狀態——禁止交換對角線圖塊，就像旋轉整個拼圖一樣。

通過將顏色稱為“粒子”，并指出由于每個圖塊與相同顏色的其他圖塊無法區分，因此它們在某種意義上是糾纏在一起的，從而賦予這個基本謎題量子風味。

盡管 “粒子 ”具有量子觸感，但實際上，拼圖本身仍然使用經典動作進行。當允許兩個不同粒子之間的疊加時，真正的量子版本就會打開。

三種不同類型的模擬玩家從 2,000 次隨機爭奪中解開謎題。經典求解器的唯一步驟是交換兩個相鄰的圖塊。量子求解器只能將成對輸入到量子疊加中。組合求解器每次都可以執行任一作。

不出所料，組合求解器表現最好，平均用 4.77 步解決難題。量子求解器緊隨其后，平均有 5.32 步，而經典求解器以平均 5.88 步排名最后。

但這并不是說經典物理學領域沒有其優勢。實際上，經典求解器可以在不到 5 步的時間內比量子求解器更頻繁地獲得解決方案。但它超出了它的平均值，因為它通常需要兩倍的時間，而量子求解器幾乎總是在 8 步或更短的時間內完成。

該團隊表示，這種所謂的量子優勢應該隨著更復雜的謎題而變得更加明顯。

在求解器使用允許的移動（經典、量子或兩者兼而有之）完成排列后，然后通過“裁判”驗證解決方案。

如果您熟悉舊的薛定諤的貓思想實驗，你會記得測量本身會導致疊加隨機成為狀態之一。理想情況下，這將是已解決的狀態，但如果不是，謎題將再次被打亂，求解器必須重新開始。

這就是經典求解器甚至可以開始解決量子難題的方式。除非他們非常幸運，并且加擾態是六種經典可能性之一（在無限量子選項中），否則他們將不得不做出盡可能接近解的行動，并希望測量將疊加折疊成解態。

盡管量子求解器似乎具有主場優勢，但它有一個缺點 – 它需要兩次移動才能執行經典的交換作。這就是經典求解器在某些版本的拼圖中搶占先機的方式，但為什么組合求解器總是處于領先地位。

該團隊還繼續創建了量子拼圖的 3D 版本，盡管不是完整的立方體。它是 2x2x1 的圖塊，它也具有無限的可能性，可以通過類似的動作來解決。

在實踐中，量子排列謎題有可能使用懸浮在光晶格中的超冷原子陣列來構建。但大多數情況下，這是數學書的思想實驗。

該研究已被接受在期刊上發表物理評價 A，并且當前在預印本服務器上可用arXiv.

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