量子計算機讓時(shí)間倒流？你先讓猴子寫(xiě)出莎士比亞詩(shī)篇

　　近期有媒體報道了一則爆炸性新聞，科學(xué)家使用量子計算機實(shí)現了“時(shí)間倒流”。時(shí)間機器就要夢(mèng)想成真了嗎?時(shí)間之箭將被扭轉?

　　近日，國外媒體報道了一則爆炸性新聞，科學(xué)家使用量子計算機實(shí)現了“時(shí)間倒流”，其中也不乏一些老牌的科學(xué)媒體，比如《發(fā)現》(Discover)的標題用了“科學(xué)家在量子計算機中逆轉時(shí)間，可能違反物理學(xué)定律”。隨著(zhù)近年來(lái)量子計算機的火熱，時(shí)間機器這個(gè)人類(lèi)歷史中最具幻想的產(chǎn)物似乎要成真了?

　　可惜，這也只是為了吸引大眾進(jìn)行了標題處理。它們的報道不能被稱(chēng)之為假新聞，因為原始論文的標題就很有“藝術(shù)感”，來(lái)自莫斯科物理與技術(shù)研究所、美國阿貢實(shí)驗室和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在《科學(xué)報告》(Scientific Reports)上發(fā)表了題為“時(shí)間之箭及其在IBM量子計算機上的逆轉”的論文。當新聞的標題變成了“標題黨”而讓大眾誤解，很容易變成科學(xué)謠言。

　　時(shí)間之箭

　　要了解他們做了什么，還要先從時(shí)間之箭談起(Arrow of time)。所謂時(shí)間之箭是指時(shí)間的單一方向，人們會(huì )覺(jué)得時(shí)間流逝是最為平常的事，而物理學(xué)定律往往是關(guān)于時(shí)間對稱(chēng)的，也就是說(shuō)把時(shí)間換一個(gè)方向，物理定律同樣適用。

　　正如用拍下兩個(gè)臺球的碰撞并反彈的視頻，如果倒放視頻，你不會(huì )感到有任何區別。而在物理學(xué)中描述“倒放”過(guò)程的方程與正常播放的過(guò)程是一樣的。到底是什么造成了時(shí)間的方向，長(cháng)期以來(lái)都是物理學(xué)家的未解之謎。

　　在研究時(shí)間之箭的源頭時(shí)，物理學(xué)家把熱力學(xué)第二定律和時(shí)間聯(lián)系了起來(lái)。熱力學(xué)第二定律也叫熵增定律，指在封閉的熱力學(xué)系統中的熵總是增加的，意味著(zhù)系統向著(zhù)混亂而非有序的方向發(fā)展。這條經(jīng)驗定律很容易幫助理解時(shí)間之箭，如果比作臺球開(kāi)球，一個(gè)球去撞擊一堆球，球會(huì )四散開(kāi)來(lái)變得更加混亂，時(shí)間也不會(huì )倒流。如果沒(méi)有熱力學(xué)第二定律，其他的物理定律還是可以讓這些球回歸原位，可這恰恰違反了熱力學(xué)第二定律。還有許多生活中的例子，比如熟飯不會(huì )變成生米，摔碎的杯子不會(huì )復原……

　　▲宇宙的膨脹被認為也是一種時(shí)間之箭，它和熱力學(xué)時(shí)間之箭也有關(guān)系。來(lái)源：ScienceBlogs

　　那么這篇論文到底說(shuō)了什么?論文作者，莫斯科物理與技術(shù)研究所(MIPT)量子信息技術(shù)實(shí)驗室負責人Gordey Lesovik說(shuō)，“這是一系列關(guān)于可能違背熱力學(xué)第二定律的論文之一，我們人為的創(chuàng )造了一個(gè)狀態(tài)，它朝著(zhù)時(shí)間之箭相反的方向發(fā)展?！?/p>

　　時(shí)間反演，理論上的存在

　　團隊首先研究了一個(gè)孤立的電子的狀態(tài)能否自發(fā)地逆轉。MIPT和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Andrey Lebedev表示，電子狀態(tài)隨時(shí)間演化受到薛定諤方程決定，雖然方程本身對過(guò)去和未來(lái)沒(méi)有區分，但因為熱力學(xué)第二定律，電子所處的區域會(huì )迅速擴大，向混亂的方向發(fā)展。

　　“假設我們開(kāi)始觀(guān)測時(shí)電子是局域的，也就是說(shuō)我們能確定它在空間中的位置，雖然量子力學(xué)原理告訴我們不會(huì )知道它的精準位置(只能知道幾率)，但我們能大概劃出一小塊電子所在的區域” ，Andrey Lebedev解釋說(shuō)。他表示接下來(lái)電子所在的區域會(huì )變大，系統更趨于混亂，這就像把臺球撞散開(kāi)。

　　美國阿貢國家實(shí)驗室的Valerii Vinokur補充道，“但薛定諤方程是可逆的，從數學(xué)上講，在一種特定的變化規則下(復共軛)，方程可以描述一個(gè)‘模糊’的電子會(huì )在同一時(shí)間內回到原來(lái)的區域?！边@種現象在實(shí)驗上還沒(méi)發(fā)現，但理論上它可能是由于宇宙微波背景輻射的隨機漲落造成的。事實(shí)上，量子力學(xué)中的時(shí)間反演(Time reversal)就是一種數學(xué)變化，并非指時(shí)間倒流或逆轉時(shí)間，他們所做的其實(shí)是相當于視頻倒放。

　　研究團隊計算出了一個(gè)電子變“模糊”后自發(fā)地回原來(lái)位置的概率。結果表明，在整個(gè)宇宙的生命周期137億年里，每秒鐘觀(guān)察100億個(gè)電子，電子的反向演化只會(huì )出現一次。即便如此，倒回去的時(shí)間也不足百億分之一秒。

　　對于這在現實(shí)中的可能性，Valerii Vinokur接受LiveScience采訪(fǎng)時(shí)說(shuō)，“就像你給猴子一臺打字機和足夠長(cháng)的時(shí)間，也許它能成為莎士比亞?！比绱酥〉母怕室步忉屃藶槭裁丛诤暧^(guān)上不會(huì )出現“逆向”操作，但是研究團隊還決定人為的設計實(shí)驗來(lái)實(shí)現反演。

　　量子計算機中的回到過(guò)去

　　研究團隊設計了一個(gè)“四步走”的實(shí)驗讓時(shí)間“逆轉”，當然不可能直接去觀(guān)察電子的運動(dòng)。他們使用的是IBM量子計算機中的超導量子比特，并開(kāi)發(fā)了一種算法讓量子計算機模擬兩能級之間的電子散射——電子從局域的，或“可見(jiàn)的”狀態(tài)，變成散射的狀態(tài)，就像把擺好的臺球撞散開(kāi)。然后，算法把這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)，粒子返回到它的初始狀態(tài)。他們認為，在幾分之一秒內，粒子向時(shí)間之箭的反方向演化了——他們做了一個(gè)量子計算機版本的視頻倒放。

　　在MIPT發(fā)布的新聞中講述了他們的四步實(shí)驗。

　　第一步有序(Order)相當于把臺球擺好，每個(gè)量子比特處于初始狀態(tài)，表示為0。

　　第二步退化(degradation)，有序的狀態(tài)消失，量子比特變成了一個(gè)由0和1組成的復雜變化模式中。這一步相當于給臺球開(kāi)球，模擬的電子就開(kāi)始向混亂無(wú)序狀態(tài)發(fā)展。

　　第三步時(shí)間反演(Time reversal)，他們用一個(gè)特殊的程序來(lái)改變量子計算機的狀態(tài)，讓其“向后”演化，從混亂走向有序?！叭绻靡粋€(gè)牽強的類(lèi)比，這相當于踢了桌子一下，這一踢是經(jīng)過(guò)完美計算的?！?/p>

　　第四步再生(Regeneration)，第二階段的過(guò)程再次啟動(dòng)，如果之前的完美一踢已經(jīng)成功，則系統不會(huì )變的更加混亂，而量子狀態(tài)會(huì )回到過(guò)去，就像臺球會(huì )回到原位。

　　▲研究人員用臺球和電子類(lèi)比他們的實(shí)驗。來(lái)源：MIPT

　　他們最終發(fā)現使用兩個(gè)量子比特的系統中，回到初始狀態(tài)的成功率為85%，而在三個(gè)量子比特的系統中，只有50%。他們認為這是由于實(shí)際的量子計算機的缺陷造成，更復雜的系統更難以控制。

　　實(shí)驗結果有什么意義?

　　“我們做了過(guò)去被認為不可能做到的事”，Andrey Lebedev說(shuō)。他認為這一結果能加深人們對熱力學(xué)第二定律的理解，他們此前通過(guò)麥克斯韋妖(物理學(xué)中假想的妖，能探測并控制單個(gè)分子的運動(dòng)，于1871年由英國物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋為了說(shuō)明違反熱力學(xué)第二定律的可能性而設想的)的實(shí)驗表明在隱形傳輸(teleporting)信息的條件下，量子系統的局部可能會(huì )違背這一物理定律，并不表明這條定律被破壞了。這次他們從另一個(gè)方面重新研究了這一問(wèn)題。

　　Gordey Lesovik認為他們的實(shí)驗肯定了“測量”在量子物理中的作用，“實(shí)驗結果也表明不可逆的觀(guān)點(diǎn)是測量導致，強調了‘測量’在量子物理學(xué)扮演著(zhù)重要角色?！碑斕岬綔y量的概念時(shí)，總是會(huì )提到薛定諤那只半死不活的貓，當這只貓在一個(gè)密閉盒子內處于一種又死又活的疊加態(tài)，而只有當打開(kāi)盒子，也就是“測量”時(shí)才知道它真正的狀態(tài)。研究人員通過(guò)限制“測量”，讓量子比特處于一種量子疊加態(tài)中，只有在開(kāi)始和最后對系統進(jìn)行了測量，中間沒(méi)有任何干擾。

　　▲薛定諤的貓現在已經(jīng)成為了一種流行文化 來(lái)源：medium.com　　

         同時(shí)，他們認為可以通過(guò)時(shí)間反演的方法來(lái)幫助量子計算機更有效的運行。Gordey Lesovik表示，量子計算機的問(wèn)題在于量子比特總處于疊加態(tài)上，如果中途被打斷并測量就破壞了疊加態(tài)，結果會(huì )以某種概率反映到元件上。

　　“正因如此我們并不總能很明確地驗證計算結果，時(shí)間反演就能幫上忙了，我們對計算機的最終狀態(tài)進(jìn)行逆轉，用同樣的量子程序，如果計算正確，我們會(huì )達到量子計算機的初始狀態(tài)”。即使在3個(gè)量子比特情況下就難以控制，Vinokur還是表示了他們下一步的目標是更大的量子計算機系統。

　　褒貶不一

　　實(shí)際上，這一研究跟時(shí)間旅行或者時(shí)間逆轉沒(méi)有任何關(guān)系。正如絕大部分研究一樣，科學(xué)界對這種吸引人眼球的研究態(tài)度不一。在《麻省理工科技評論》的采訪(fǎng)中，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任Scott Aaronson就說(shuō)，“如果你在電腦上模擬一個(gè)可逆過(guò)程，只需要把時(shí)間向相反的方向模擬就可以了?？焖贋g覽過(guò)論文后，我承認，如果只是換成了IBM的量子計算機模擬，我沒(méi)看出來(lái)有什么更深遠的意義?！?/p>

　　也有科學(xué)家從物理意義上做出了值得肯定的評價(jià)?！斑@項研究對物理學(xué)的基礎做出了很好的貢獻”，達特茅斯學(xué)院物理學(xué)助理教授James Whitfield在采訪(fǎng)中表示，“它提醒我們，并非量子計算的所有程序都必須面向實(shí)際應用才是有趣的?！?/p>

　　然而當“標題黨”的新聞出現后，有人把矛頭還是對準了與科學(xué)與公眾的關(guān)系。一位不愿透露姓名的量子科學(xué)家表示，“我不知道這有何用處，不是時(shí)間機器，也沒(méi)有違反任何物理定律。這種炒作只會(huì )壞了量子計算的名聲?！?/p>

　　《麻省理工科技評論》發(fā)表評論認為，這類(lèi)新聞的出現不僅僅給量子計算招來(lái)惡評，還會(huì )傷害科學(xué)和公眾本身。公眾很容易被超出他們理解范圍內的東西迷惑。為了解釋不好理解的量子力學(xué)而配上嘩眾取寵的新聞，只會(huì )讓科學(xué)與公眾越來(lái)越遠。