在Ray Bradbury的短篇小說《一聲驚雷》中，主人公穿越到遠古時代去狩獵恐龍，卻不小心在史前叢林中踩死了一隻蝴蝶，待他回到當下，世界已經大不一樣：從空氣的味道，英語單詞的拼寫，到美國總統的選舉結果都發生了變化。這裡的蝴蝶便是那個影響巨大的擾動因素，「它身形雖小，卻能在漫長流逝的時間裡，打破平衡，推倒整排小片多米諾骨牌，進而觸動大骨牌乃至巨型骨牌。」
Bradbury所描繪的「蝴蝶效應」——即過去的微小變化能對未來造成巨大影響——並不完全是科幻小說式的異想天開。著名數學家與氣象學家Edward Lorenz在一次研究中偶然發現，自然系統中的確存在這樣的例子：即便是初始狀態的微小變化，也能極大地影響最終結果。這種系統被稱為混沌系統，人們所熟知的很多現象，如陰晴不定的天氣，或者將不同液體混合在一起時的複雜過程，都屬於混沌的範疇。
通常在經典力學的體系下，只要已知初始條件，就能在很大程度上預測物體的運動，就像工廠的自動化流程，或是衝向太空的火箭。混沌系統一般來說也是用經典力學描述的，在這種模型中，給定的初始條件同樣也能產生相同的結果，但人類的運算總有誤差，即使是小數點後數十位的近似，最終也會成為推倒多米諾骨牌的蝴蝶。
圖片來源：pixabay
不過，最近《物理評論快報》的一項研究表明，蝴蝶效應在量子領域並不適用。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的兩名研究員搭建了一種模擬系統，他們讓量子比特在量子計算機上沿「時間」前後運動。儘管遭到損壞，實驗中的量子比特仍然保留了原始的信息——並沒有出現小說裡時間旅行中殺死蝴蝶後造成的巨大影響。
其中一位研究員，理論物理學家Nikolai Sinitsyn談道：「從經典物理的角度來看，這實在是太不可思議了。以前我們認為複雜的演化總存在蝴蝶效應，所以遙遠過去的微小改變肯定會讓我們的世界天翻地覆「
這項發現拓寬了我們對量子系統的認知，未來或許能應用於信息安全領域。這種性質還可以用來判斷某個系統「量子性」的程度。
被保留的信息
量子世界中用以解釋亞原子粒子運動的規則確實非常傷腦筋，因為它們會違背傳統的邏輯規律。不過，這種規則可以用一句話概括：電子和質子之類的粒子並不是簡單地存在於空間中的某個點，而是能在某一刻佔據空間中的非常多個點。當然，光這樣說仍然會比較晦澀難懂，不過現在我們已經有了很好的數學模型來解釋量子力學中的奇異現象。
此外，數學模型也可以應用到量子計算機上。量子計算機跟我們平常所用的計算機迥乎不同，它解決某些問題時運行的速度比傳統計算機快了指數倍，這是因為量子計算機從原理上遵循了完全不同的物理規則。傳統計算機適用的比特只能代表一個具體的值：不是0就是1。而量子力學中，兩個狀態可以通過疊加產生新的狀態，所以量子比特可以取0和1的任意線性組合。
圖片來源：pixabay
在量子系統中，量子比特的微小改變——即便是觀察和測量的過程——都會產生巨大的影響。因此研究人員也想知道，在模擬中將量子比特送回過去，並摧毀它的信息後會發生什麼。量子力學實驗中常常將理論上的過程人格化為「愛麗絲」和「鮑勃」。在這裡，他們讓愛麗絲帶著量子比特回到過去，同時將信息加擾，這個過程稱為「反演」。而在過去，鮑勃則作為一個半路殺出的「程咬金」，測量愛麗絲的量子比特，使其發生改變。最後由愛麗絲將量子比特又從過去帶回來。
假如發生蝴蝶效應，那麼愛麗絲的量子比特攜帶的原始信息會產生指數級別的改變。然而結果卻恰恰相反，即使鮑勃中途殺出，切斷了該量子比特和其他量子比特的聯繫，最後的正向「演化」還是讓愛麗絲的量子比特恢復了原有的信息。
「一般大家都會覺得，如果你回到過去，給信息加擾，那信息就徹底沒了。」量子計算專家，前達爾豪西大學物理學家Jordan Kyriakidis稱，「他們的論文表明，在某些情況下，如果你回到過去，即便有人擾亂了原始信息，在正向演化的過程中，信息都能被復原。」
沒有蝴蝶效應的意義
那這是否表明蝴蝶效應根本不存在？其實也不是。Sinitsyn和他的合作者Bin Yan得出的結論只適用於量子世界。
但這並不是說這項研究就沒有現實意義。一個可實際應用的例子是信息加密。加密有兩個原則：既要讓使用者方便解碼，又要讓別人無法破譯。Kyriakidis解釋道，如今，如果有黑客想要破解某個密碼，即使他不能成功破解，但可以把信息毀掉，這樣可以保證別人也沒法使用了。而這次的研究或許就能讓信息損壞之後重新復原成為可能。
不光如此，這個效應在量子系統中實在是過於特殊，這樣或許就能用它來檢測量子計算機的完整性。只要任何一臺量子計算機能重複Yan和Sinitsyn的實驗，那就可以證明該計算機是嚴格按量子力學規律運行的。量子計算機能成為極其強大的工具，來解決化學，醫學乃至交通導航，金融策略領域的複雜問題。鑑於量子計算機極高的錯誤率，要是能有一種簡單易用的檢測其性能的手段，那將帶來巨大的實際價值。
目前，量子計算技術尚在襁褓之中。不過，如果Yan和Sinitsyn量子時光機能在亞原子領域也存在的話，那未來將擁有無盡的可能。