將描述時間流動兩種理論結合起來，發現時間順序，顯示出量子糾纏

2020-10-18 博科園

量子力學和引力理論因互不相容而臭名昭著，儘管在過去的五十年裡，許多物理學家都做出了努力。然而，現在一個由維也納大學、奧地利科學院、昆士蘭大學和史蒂文斯理工學院物理學家領導的國際研究小組，將描述時間流動兩種理論的關鍵要素結合起來，發現事件之間的時間順序可以顯示出量子特徵。根據廣義相對論，大質量物體的存在減慢了時間流動。這意味著放置在一個巨大物體附近的時鐘會比放置在更遠物體上的時鐘運行得慢。

然而，量子理論定律能讓任何物體以疊加態製備，兩個位置的疊加狀態不同於將一個物體隨機放置在一個位置或另一個位置：這是物體存在的另一種方式，量子物理定律允許這樣做。物理學中一個懸而未決的問題是：當一個質量足以影響時間流動的物體處於量子疊加狀態時會發生什麼？這是一個有爭議的話題：一些物理學家稱這種情況根本不可能發生（一些新機制必須從一開始就阻止疊加的形成）而另一些物理學家則建立假設，這是可能的基礎上，發展出完整的理論。

昆士蘭大學Magdalena Zych解釋說：首先要解決一個問題，如果一個時鐘受到一個處於量子疊加態的巨大物體影響，它會測量什麼？科學家們本以為會遇到一些障礙，使這一設想成為不可能，但令人驚訝的是，使用標準物理教科書能夠準確地描述發生了什麼。發現，當一個巨大質量物體被放置在一組時鐘附近的量子疊加位置時，時間順序可以成為真正的量子，而不受任何經典描述的影響。維也納大學和奧地利科學院的合著者卡斯拉夫·布魯克納表示：量子時間順序可能出現的機制與日常經驗相當遙遠。

但研究中最重要的發現是，量子時間順序是完全可能的，它會產生新的物理效應。為了說明發生了什麼，想像兩艘星際飛船正在為一個任務進行訓練。他們被要求在指定的時間向對方開火，並立即發動引擎，以躲避對方的攻擊。如果任何一艘船太早開火，它將摧毀另一艘，這就在開火事件之間建立了一個明確無誤的時間順序。如果一個強大可以放置一個足夠大的物體，比如說一顆行星，靠近一艘飛船，它就會減慢計算時間的速度。因此，離質量較遠的船將過早地開火，而第一個人無法逃脫。

量子物理和引力定律預測，通過操縱行星的量子疊加狀態，飛船最終可能會被摧毀，而這兩種狀態中的任何一種都會被摧毀。這種涉及兩個系統的疊加態稱為糾纏態，這項新研究表明，事件之間的時間順序可以顯示出疊加和糾纏——真正的量子特性，這對於檢驗量子理論與替代理論之間的關係尤為重要。這一結果可以作為量子引力框架的理論實驗依據，從而有助於進一步構建正確的量子引力理論。

這項研究也將與未來的量子技術有關，利用量子順序執行操作的量子計算機，可能會打敗只使用固定序列操作的經典計算機。量子時間順序的實際實現不需要極端條件（例如行星處於疊加狀態）而且可以在不使用重力的情況下進行模擬。時間的量子特性發現，可以在即將到來的量子計算機時代帶來更好的量子器件。

博科園｜研究/來自：維也納大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11579-x

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