量子世界裡蝴蝶效應還成立嗎？無蝴蝶效應會讓量子世界自動修復

混沌理論認為，微小的，微不足道的事件或情況可能會影響大型複雜系統向未來發展的方式。很多人對這種所謂的蝴蝶效應都很熟悉。這種想法最早可以追溯到科幻作家雷·布拉德伯裡1952年的小說《雷鳴》中。在那個故事中，一名穿越到遙遠的過去捕獵雷克斯暴龍的男子，無意中踩死了一隻蝴蝶。當他回到現在後發現，這個看似微不足道的行為改變了歷史的進程。

20世紀70年代初，氣象學家、數學家愛德華·諾頓·洛倫茨在《科學》雜誌撰文闡述了蝴蝶效應，開創了混沌理論這個嶄新的研究領域。

在洛倫茨的比喻中，一隻蝴蝶在巴西扇動翅膀，最終可能導致德克薩斯州發生龍捲風。也就是說，如果你能回到過去，哪怕只是稍微改變一下過去，一個不同的未來就會在這個系統中演變，而包含你現在的未來或許會消失。

愛德華·諾頓·洛倫茨

如今蝴蝶效應在我們的日常生活中被廣泛接受。然而經典物理學描述的是原子尺度以上的系統，如果考慮量子力學主導的亞微觀世界，很多經典理論都失效了！量子世界有不同的、非常奇怪的規則。那麼一個有趣的問題是，蝴蝶效應還成立嗎？如果沒有，會發生什麼呢？

一個由洛斯阿拉莫斯國家實驗室理論部門的物理學家尼古拉·辛尼辛領導的科研小組對這個問題進行了研究。他們首先使用量子力學方程進行理論分析，之後在IBM-Q量子處理器上做了一個實驗，而結果令人吃驚。

理論分析似乎表明蝴蝶效應仍會發生

在理論分析階段，他們通過測量，並因為這次測量改變了一個量子位，然後將這個受到影響的複雜量子系統的演化與另一個同等設計的系統進行了比較。如果蝴蝶效應在量子領域成立，那麼當這個系統經過足夠長的時間演化後，在這對孿生系統中，描述特定量子位的局部變量最終會有很大差異。

在這個思想實驗中，愛麗絲和鮑勃再次登場，他們是量子領域科學家們經常用的虛擬角色。他們認為這涉及一個以複雜方式進化的線路。該線路將許多量子門隨機應用於許多量子位，每個量子門對量子位執行操作。每個門代表一個時間步長，就像時鐘的滴答聲。

沿著這個線路移動，就相當於在理論上的「晶片世界」中做時間旅行。

愛麗絲在現在的時間裡準備她的量子位元，然後沿著線路逆向移動，模擬時光倒流。存儲在愛麗絲量子位元中的信息是過去鮑勃測量的量子位元的偏振。因為在量子世界中，測量會改變被測量粒子的狀態，因此鮑勃的這種測量改變了偏振狀態。在這種情況下，這就是信息。

而且，根據量子動力學定律，這種侵入式測量會破壞所有量子位元在晶片上與世界其他地方的量子相關性。所以可以認為過去的世界已經改變了，也就是說，回到過去的現在（即改變後的量子位元的未來）將改變晶片上的整個世界。

接下來，來看如果沿著線路向前運行，把世界帶回現在的時間會發生什麼。根據假設，鮑勃對量子位狀態的微小損害，應該會在複雜的正向時間進化過程中被迅速放大。這將意味著愛麗絲最終無法恢復她原來的信息。那隻被壓扁的蝴蝶應該已經徹底改變了她現在的信息，也就是說量子世界發生了蝴蝶效應。

然而，下一步實驗證實，這並沒有發生。

量子處理器的實驗：蝴蝶效應沒有發生

對於這些結果的下一步測試，是通過在IBM-Q量子處理器上模擬運行的一個類似實驗進行的。為了模擬時間旅行，研究人員將量子位元以相反的順序通過計算機門。門操縱量子位元，也代表時間步長。然後通過只測量一個局域量子位來代表破壞模擬過去的信息，而所有其他量子位保持它們的量子相關性，並保持糾纏。

在進行了破壞性的測量之後，開始運行及時轉發協議，然後測量了量子位元的狀態：它基本上回到了它在向後進化之前的狀態，外加一些小的背景噪音。由於整個系統的初始態在量子關聯中處於強糾纏狀態，所以漫長的複雜演化本質上恢復了被擾動量子元的信息。

這個結果是令人驚訝的，這說明量子系統中不僅沒有發生蝴蝶效應，而且還發現該系統會主動保護現在的狀態，可以說這是一種「無蝴蝶效應」。

在量子意義上，被強力糾纏意味著該系統最初在其各部分之間具有強大的量子相關性。糾纏的量子元之間共享各種特性，例如極化。即使更改了本地信息，所有糾纏量子位之間的純粹量子和全局相關性仍對量子動力學起到保護作用，指導它們恢復受損的局部變量。演化時間越長，越複雜，它生成的量子相關性就越多，當前系統的魯棒性也越強。

因此，你可以說量子力學中的現實是會自我修復的。

無蝴蝶效應

這個令人驚訝的發現適用於一個足夠複雜的量子演化系統，在此演化過程中，不同量子位元之間的量子關聯會在時間向後演化的過程中出現。這種方法有實際的應用，如測試量子計算機的量子性。

在不確定量子計算機是否真的使用量子力學來獲得結果的地方，可以用這種「無蝴蝶效應」來測試。而另一個潛在的應用是保護信息，因為量子線路的隨機演化可以保護每一個量子位不受攻擊。

下一步，研究人員希望在實驗室（而不是通過量子計算機）中的實際物理量子系統中，實驗性地驗證這種效應。這個實驗可能會使用超低溫原子，它們具有量子力學性質。

除了這些實際用途之外，無蝴蝶效應還提出了一些有趣的問題，關於量子領域和我們日常的經典物理世界之間的差異。大多數物理學家相信量子力學適用於我們可以觀察到的範圍，我們看的任何地方。但它經常產生與經典物理學相同的預測。物理學家仍在努力研究日常生活中的經典世界是如何從量子世界中浮現出來的。

在我們生活的宏觀世界中，無蝴蝶效應會在多大程度上適用是一個懸而未決的問題，而經典的蝴蝶效應在量子世界中的適用程度也是如此。時間會告訴我們答案的。