量子「時間旅行」的模擬表明:量子領域中沒有「蝴蝶效應」

2020-12-11 量子認知

研究人員使用量子計算機模擬「時間旅行」，表明在量子領域中沒有「蝴蝶效應」。在研究中，量子位信息「穿越時空」進入了模擬的過去。隱喻地講，其中一隻被嚴重破壞，就像踩在了一隻蝴蝶上一樣。令人驚訝的是，當所有量子位都返回「現在」時，它們看起來基本上沒有改變，就好像現實在自我修復。

該最新研究成果論文發表在最近的《物理評論快報》上。論文第一作者為博士後華人學者、顏斌（Bin Yan）。

論文另一作者、洛斯阿拉莫斯國家實驗室（Los Alamos National Laboratory）理論物理學家、尼古拉·辛尼森（Nikolai Sinitsyn）表示：「在量子計算機上，模擬逆向演化或模擬追溯到過去的過程沒有問題。」 「因此，如果我們時光倒流，增加微小的破壞並返回，我們實際上可以看到複雜的量子世界會發生什麼。我們發現我們的世界得以生存，這意味著量子力學中沒有蝴蝶效應。」

在雷·布拉德伯裡（Ray Bradbury）1952年的科幻小說中，一個稱為「雷聲」的角色，使用時光機走到了更遠的過去，在那裡他踩著一隻蝴蝶。回到現在，他發現了另一個世界。這個故事經常被冠以「蝴蝶效應」一詞，這是指一個複雜的動態系統對其初始條件的極高敏感性。在這樣的系統中，早期的小因素繼續強烈會影響整個系統的發展。

相反，研究發現，模擬回到過去以在量子系統中造成小的局部損害，只會導致目前的微不足道的局部損害。

這種效應在信息隱藏硬體和測試量子信息設備中具有潛在的應用。通過將初始狀態轉換為緊密糾纏的狀態，計算機可以隱藏信息。

顏說，「我們發現，即使入侵者在強糾纏狀態下進行了破壞狀態的測量，我們仍然可以輕鬆地恢復有用的信息，因為這種破壞不會被解碼過程放大。」 「這證明了有關創建用於隱藏信息的量子硬體的討論是合理的。」

這個新發現還可以用來測試量子處理器是否實際上在按照量子原理工作。由於新發現的無蝴蝶效應是純粹的量子效應，如果處理器運行該研究系統並顯示出這種效應，那麼它必須是量子處理器。

為了測試量子系統中的蝴蝶效應，研究人員使用IBM-Q量子處理器的理論和仿真來說明電路如何通過應用量子門來發展複雜的系統，具有正反因果關係。

在該項研究的量子時間機器模擬器實驗中，比方說，一個叫張三的準備了當前的一個量子位，並通過量子計算機向後運行。在很久以前，另一個叫李四的入侵者擾亂了量子位，並破壞了其與世界的所有量子的相關性。接下來，系統將向前運行到當前時間。

在該研究中，張三準備了自己的量子比特，並將信息置亂酉U應用於該量子比特和其他許多量子比特。李四以任何方式測量她的量子位，將量子位翻轉到張三不知道的狀態。張三仍然可以通過單個解碼酉陣U重建她的信息。

根據雷·布拉德伯裡（Ray Bradbury）的說法，李四對狀態的微小損害以及過去的所有這些關聯，都應該在複雜的時空演變過程中迅速放大。因此，張三最終將無法恢復其信息。

但事實並非如此。 研究發現，目前的大多數本地信息都以本質上量子相關的形式隱藏在較深的過去，這些相關性不會受到輕微的篡改而損壞。研究表明，儘管李四幹擾了，但信息仍返回張三的量子位，而沒有造成太大破壞。與直覺相反，對於更深入的過去時間旅行和更廣闊的「世界」，張三的最終信息返回所給她的損失甚至更少。

研究最後總結道：「我們發現，經典物理學和量子物理中的混沌概念必須有不同的理解。」

參考：Bin Yan et al, Recovery of Damaged Information and the Out-of-Time-Ordered Correlators, Physical Review Letters (2020). DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.040605量子認知 | 簡介科學新知識，敬請熱心來關注

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