時間朝著一個方向前進：小男孩會變老，但老人不會再變年輕；茶杯會碎，但不會自發地重新組合。宇宙的這種殘酷而不可改變的性質，被稱為「時間之箭」，從根本上說是熱力學第二定律的結果。該定律指出，隨著時間的推移，系統總是會變得更加混亂。
去年發表在《科學報告》雜誌上的一項新研究中，研究人員用一臺非常小的量子計算機操縱時間之箭。這臺計算機由兩個被稱為量子位的量子粒子組成，可以進行計算。
在亞原子尺度上，量子力學的奇怪規則佔據主導地位，物理學家通過一個稱為波函數的數學結構來描述系統的狀態。這個函數是系統可能處於的所有可能狀態的表達式，以及系統在任何給定時間處於這些狀態的概率。一般來說，隨著時間的推移，波函數會擴散。消除波函數的傳播就像把潑出的牛奶倒回瓶子裡，但這正是研究人員在這項新實驗中所完成的。
研究人員使用量子計算機模擬單個粒子，其波函數隨時間擴散，就像池塘裡的漣漪。然後，他們在量子計算機中編寫了一種算法，它可以逆轉波函數中每一個單獨成分的時間演化，本質上就是把波紋拉回到產生它的粒子中。他們完成了這個壯舉，沒有增加熵，也沒有增加宇宙其他地方的無序，似乎是在挑戰時間之箭。
這是否意味著研究人員製造了一臺時間機器？他們違反物理定律了嗎？這兩個問題的答案都是否定的。熱力學第二定律說，宇宙會隨著時間的流逝而變得無序，但絕不能在非常特殊的情況下永遠保持不變。這個實驗足夠小，足夠短，足夠可控，宇宙既沒有獲得也沒有失去能量。
研究人員說：「一旦波被創造出來，將它們送回池塘是非常複雜的，但我們看到，在一個非常簡單的情況下，這在量子世界中是可能的。」換句話說，使用量子計算機賦予他們的控制來撤銷時間的影響是可能的。
然而，當引入第三個量子位時，實驗成功的機率只有50%。研究人員說，系統的複雜性在第三個量子位上可能增加了太多，使得量子計算機更難保持對系統所有方面的控制。沒有這種控制，熵就無法得到控制，因此時間反轉也就不完美。
這項研究對物理學的基礎做出了很好的貢獻，它提醒我們，並不是所有的量子計算應用都必須是面向應用的。這證明了量子計算機可以讓我們模擬不應該在現實世界中發生的事情。