量子計算機讓時間倒流?你先讓猴子寫出莎士比亞詩篇

　　近期有媒體報導了一則爆炸性新聞，科學家使用量子計算機實現了「時間倒流」。時間機器就要夢想成真了嗎?時間之箭將被扭轉?

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201903/398958.htm

　　近日，國外媒體報導了一則爆炸性新聞，科學家使用量子計算機實現了「時間倒流」，其中也不乏一些老牌的科學媒體，比如《發現》(Discover)的標題用了「科學家在量子計算機中逆轉時間，可能違反物理學定律」。隨著近年來量子計算機的火熱，時間機器這個人類歷史中最具幻想的產物似乎要成真了?

　　可惜，這也只是為了吸引大眾進行了標題處理。它們的報導不能被稱之為假新聞，因為原始論文的標題就很有「藝術感」，來自莫斯科物理與技術研究所、美國阿貢實驗室和蘇黎世聯邦理工學院的研究人員在《科學報告》(Scientific Reports)上發表了題為「時間之箭及其在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，很容易變成科學謠言。

　　時間之箭

　　要了解他們做了什麼，還要先從時間之箭談起(Arrow of time)。所謂時間之箭是指時間的單一方向，人們會覺得時間流逝是最為平常的事，而物理學定律往往是關於時間對稱的，也就是說把時間換一個方向，物理定律同樣適用。

　　正如用拍下兩個撞球的碰撞並反彈的視頻，如果倒放視頻，你不會感到有任何區別。而在物理學中描述「倒放」過程的方程與正常播放的過程是一樣的。到底是什麼造成了時間的方向，長期以來都是物理學家的未解之謎。

　　在研究時間之箭的源頭時，物理學家把熱力學第二定律和時間聯繫了起來。熱力學第二定律也叫熵增定律，指在封閉的熱力學系統中的熵總是增加的，意味著系統向著混亂而非有序的方向發展。這條經驗定律很容易幫助理解時間之箭，如果比作撞球開球，一個球去撞擊一堆球，球會四散開來變得更加混亂，時間也不會倒流。如果沒有熱力學第二定律，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第二定律。還有許多生活中的例子，比如熟飯不會變成生米，摔碎的杯子不會復原……

　　▲宇宙的膨脹被認為也是一種時間之箭，它和熱力學時間之箭也有關係。來源：ScienceBlogs

　　那麼這篇論文到底說了什麼?論文作者，莫斯科物理與技術研究所(MIPT)量子信息技術實驗室負責人Gordey Lesovik說，「這是一系列關於可能違背熱力學第二定律的論文之一，我們人為的創造了一個狀態，它朝著時間之箭相反的方向發展。」

　　時間反演，理論上的存在

　　團隊首先研究了一個孤立的電子的狀態能否自發地逆轉。MIPT和蘇黎世聯邦理工學院的Andrey Lebedev表示，電子狀態隨時間演化受到薛丁格方程決定，雖然方程本身對過去和未來沒有區分，但因為熱力學第二定律，電子所處的區域會迅速擴大，向混亂的方向發展。

　　「假設我們開始觀測時電子是局域的，也就是說我們能確定它在空間中的位置，雖然量子力學原理告訴我們不會知道它的精準位置(只能知道機率)，但我們能大概劃出一小塊電子所在的區域」 ，Andrey Lebedev解釋說。他表示接下來電子所在的區域會變大，系統更趨於混亂，這就像把撞球撞散開。

　　

　　美國阿貢國家實驗室的Valerii Vinokur補充道，「但薛丁格方程是可逆的，從數學上講，在一種特定的變化規則下(復共軛)，方程可以描述一個『模糊』的電子會在同一時間內回到原來的區域。」這種現象在實驗上還沒發現，但理論上它可能是由於宇宙微波背景輻射的隨機漲落造成的。事實上，量子力學中的時間反演(Time reversal)就是一種數學變化，並非指時間倒流或逆轉時間，他們所做的其實是相當於視頻倒放。

　　研究團隊計算出了一個電子變「模糊」後自發地回原來位置的概率。結果表明，在整個宇宙的生命周期137億年裡，每秒鐘觀察100億個電子，電子的反向演化只會出現一次。即便如此，倒回去的時間也不足百億分之一秒。

　　對於這在現實中的可能性，Valerii Vinokur接受LiveScience採訪時說，「就像你給猴子一臺打字機和足夠長的時間，也許它能成為莎士比亞。」如此之小的概率也解釋了為什麼在宏觀上不會出現「逆向」操作，但是研究團隊還決定人為的設計實驗來實現反演。

　　量子計算機中的回到過去

　　研究團隊設計了一個「四步走」的實驗讓時間「逆轉」，當然不可能直接去觀察電子的運動。他們使用的是IBM量子計算機中的超導量子比特，並開發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「可見的」狀態，變成散射的狀態，就像把擺好的撞球撞散開。然後，算法把這個過程反過來，粒子返回到它的初始狀態。他們認為，在幾分之一秒內，粒子向時間之箭的反方向演化了——他們做了一個量子計算機版本的視頻倒放。

　　在MIPT發布的新聞中講述了他們的四步實驗。

　　第一步有序(Order)相當於把撞球擺好，每個量子比特處於初始狀態，表示為0。

　　第二步退化(degradation)，有序的狀態消失，量子比特變成了一個由0和1組成的複雜變化模式中。這一步相當於給撞球開球，模擬的電子就開始向混亂無序狀態發展。

　　第三步時間反演(Time reversal)，他們用一個特殊的程序來改變量子計算機的狀態，讓其「向後」演化，從混亂走向有序。「如果用一個牽強的類比，這相當於踢了桌子一下，這一踢是經過完美計算的。」

　　第四步再生(Regeneration)，第二階段的過程再次啟動，如果之前的完美一踢已經成功，則系統不會變的更加混亂，而量子狀態會回到過去，就像撞球會回到原位。

　　

　　▲研究人員用撞球和電子類比他們的實驗。來源：MIPT

　　他們最終發現使用兩個量子比特的系統中，回到初始狀態的成功率為85%，而在三個量子比特的系統中，只有50%。他們認為這是由於實際的量子計算機的缺陷造成，更複雜的系統更難以控制。

　　實驗結果有什麼意義?

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

　　Gordey Lesovik認為他們的實驗肯定了「測量」在量子物理中的作用，「實驗結果也表明不可逆的觀點是測量導致，強調了『測量』在量子物理學扮演著重要角色。」當提到測量的概念時，總是會提到薛丁格那隻半死不活的貓，當這隻貓在一個密閉盒子內處於一種又死又活的疊加態，而只有當打開盒子，也就是「測量」時才知道它真正的狀態。研究人員通過限制「測量」，讓量子比特處於一種量子疊加態中，只有在開始和最後對系統進行了測量，中間沒有任何幹擾。

　　▲薛丁格的貓現在已經成為了一種流行文化 來源：medium.com　　

         同時，他們認為可以通過時間反演的方法來幫助量子計算機更有效的運行。Gordey Lesovik表示，量子計算機的問題在於量子比特總處於疊加態上，如果中途被打斷並測量就破壞了疊加態，結果會以某種概率反映到元件上。

　　「正因如此我們並不總能很明確地驗證計算結果，時間反演就能幫上忙了，我們對計算機的最終狀態進行逆轉，用同樣的量子程序，如果計算正確，我們會達到量子計算機的初始狀態」。即使在3個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

　　實際上，這一研究跟時間旅行或者時間逆轉沒有任何關係。正如絕大部分研究一樣，科學界對這種吸引人眼球的研究態度不一。在《麻省理工科技評論》的採訪中，德克薩斯大學奧斯汀分校量子信息中心主任Scott Aaronson就說，「如果你在電腦上模擬一個可逆過程，只需要把時間向相反的方向模擬就可以了。快速瀏覽過論文後，我承認，如果只是換成了IBM的量子計算機模擬，我沒看出來有什麼更深遠的意義。「

　　也有科學家從物理意義上做出了值得肯定的評價。「這項研究對物理學的基礎做出了很好的貢獻」，達特茅斯學院物理學助理教授James Whitfield在採訪中表示，「它提醒我們，並非量子計算的所有程序都必須面向實際應用才是有趣的。」

　　然而當「標題黨」的新聞出現後，有人把矛頭還是對準了與科學與公眾的關係。一位不願透露姓名的量子科學家表示，「我不知道這有何用處，不是時間機器，也沒有違反任何物理定律。這種炒作只會壞了量子計算的名聲。」

　　《麻省理工科技評論》發表評論認為，這類新聞的出現不僅僅給量子計算招來惡評，還會傷害科學和公眾本身。公眾很容易被超出他們理解範圍內的東西迷惑。為了解釋不好理解的量子力學而配上譁眾取寵的新聞，只會讓科學與公眾越來越遠。