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将量子计算机返回到了几分之一秒前的状态,大多数其他物理定律都不能阻止滚动的台球聚集成金字塔

22 8月 , 2019  

如果有一列时光列车,可以载你回到过去,你是否想在童年的安稳里多徜徉一会儿?

莫斯科物理与技术研究所研究人员与来自美国和瑞士的同事合作,将量子计算机的状态恢复到过去的几分之一秒。他们还计算了真空星际空间中的电子自发地回到它最近过去的概率,这项研究发表在《科学报告》上。这是一系列关于违反热力学第二定律可能性的论文之一。这一定律与时间之箭的概念密切相关,时间之箭假定时间从过去到未来是单向的。研究首先描述了一种所谓的第二类局部永动机。去年12月发表了一篇论文,讨论通过一种叫做麦克斯韦妖的装置违反第二定律问题。

电影里的月光宝盒因为它能穿越时空,抓住机遇,让不少人心心念念地想拥有。但现实生活中,真的有“时光倒流”的存在吗?

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是什么让未来不同于过去?

据英国《独立报》近日报道,由美国、瑞士和俄罗斯科学家组成的一个国际科研团队,在《科学报告》杂志撰文称,他们首次借助一台量子计算机,逆转了“时间之箭”的方向。

博科园-科学科普:最近发表的一篇研究论文从第三个角度探讨了同样的问题:我们人为地创造了一种状态,它朝着与热力学时间箭头相反的方向发展。大多数物理定律对未来和过去没有区别。例如,让一个方程描述两个相同台球的碰撞和反弹。如果用摄像机记录下该事件的近景,然后反过来播放,它仍然可以用相同的方程表示。此外,如果录音被篡改,就不可能从录音中分辨出来。两种说法看起来都有道理。台球似乎违背了时间的直觉。然而,想象一下,记录一个主球打破“台球金字塔”,台球分散在各个方向。在这种情况下,很容易区分真实场景和反向回放。

这一违背常识的突破性研究,可能会改变我们对统辖宇宙的机制和过程的理解,也有望促进量子计算机的发展。

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图片:tsarcyanide/MIPT

莫斯科物理科学与技术研究所(Moscow Institute of Physics and
Technology,MIPT)的研究人员与美国、瑞士的同行合作,将量子计算机返回到了几分之一秒前的状态。同时,他们还计算了真空条件下星际空间中的电子自发地返回其最近过去(recent
past)的概率。

后者之所以看起来如此荒谬,是因为我们对热力学第二定律的直觉理解:一个孤立的系统要么保持静止,要么朝着混沌而非有序的状态发展。大多数其他物理定律都不能阻止滚动的台球聚集成金字塔,注入的茶不能流回茶袋,火山也不能反向“喷发”。但这些现象没有被观察到,因为它们需要一个孤立的系统在没有任何外部干预情况下假定一个更有序的状态,这违反了第二定律。这一定律的性质尚未得到充分的解释,但研究人员在理解其背后的基本原理方面取得了很大进展。

是什么区分了过去和未来?

自发的时间逆转

大多数物理定律都不会去区别过去和未来。

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举例来说,两个完全相同的台球碰撞、弹开,可以用一个等式来描述。如果用相机近距离记录下这个过程然后倒放,逆向过程仍然可以用之前的等式来描述。

来自MIPT量子物理学家决定检查时间是否可以自发地逆转,至少对于单个粒子和一小部分秒。也就是说,他们没有对撞台球,而是研究了星际空间中一个孤立的电子。假设我们开始观察电子时,它是局域的。这意味着我们非常确定它在空间中的位置。量子力学定律使我们无法绝对精确地了解它,但我们可以勾勒出一个电子定位的小区域。研究的物理学家解释说:电子态的演化受薛定谔方程控制。虽然它对未来和过去没有区别,但含有电子的空间区域将很快地扩展开来。

而且我们也不能判断出录像究竟是在顺序还是倒序播放,它们看上去都很合理。台球碰撞看起来好像违背了直观的时间感。

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也就是说,系统趋向于变得更加混乱。电子位置的不确定性在增加。由于热力学第二定律,这类似于大型系统中无序度的增加。来自美国阿贡国家实验室的论文合著者瓦莱里·维诺库说:然而,薛定谔方程是可逆的,从数学上讲,这意味着在一种称为复共轭的变换下,这个方程将描述一个‘被污染的’电子在同一时间内重新定位到一个小空间区域。虽然这种现象在自然界中没有被观察到,但理论上它可能是由于宇宙微波背景的随机波动而发生。

研究人员使用量子计算机,让时间“倒退”,正如桌子上散落的台球重回其最初的三角形排列的起点。

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除了热力学第二定律,大多数物理定律都不会阻止如台球滚动回三角阵样、散入水中的茶色重新回到茶包中、或者火山反过来“喷发”等过程。

量子计算机上实际实验的四个阶段反映了思想实验的各个阶段,包括空间中电子和台球的想象类比。这三种系统最初都是从有序向混沌演进,但随后一个完全定时的外部扰动逆转了这一过程。图片:tsarcyanide/MIPT

我们都没有看见过上述情况发生,是因为它们假定一个孤立系统在没有任何外部干扰的情况下恢复到更有序的状态,这违反了第二定律。

研究小组开始计算观察到一个电子在不到一秒的时间内自动定位到最近位置的概率。结果表明,即使在整个宇宙的生命周期中每秒钟观察到100亿个新定位的电子,粒子状态的反向演化也只会发生一次。即使在那时,电子进入过去的时间也不会超过十亿分之一秒。涉及台球和火山的大规模现象显然以更大时间尺度展开,并以数量惊人的电子和其他粒子为特征。这就解释了为什么我们没有观察到老年人变年轻或墨迹从纸上分离出来。

时间可以自发倒流吗?

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MIPT
的量子物理学家决定探究时间是否可以自发逆转,或者至少让单个粒子恢复到极短时间之前的状态。也就是说,他们没有让台球对撞,而是研究了真空星际空间中一个孤立的电子。

根据需要逆转时间

论文的共同作者、莫斯科物理科学与技术研究所、苏黎世联邦理工学院的(ETH
Zurich)安德烈·列别捷夫(Andrey
Lebedev)解释道:“假设我们开始观察时,电子是局域的,这就是说我们可以基本确定它在空间中的位置。虽然量子力学让我们无法获得它的绝对位置,但我们可以勾勒出电子存在的一小片区域。”

研究人员试图在一个四阶段实验中逆转时间,他们观察的不是电子,而是由两种后来被称为超导量子位元的基本元素构成的量子计算机状态。

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阶段1:秩序。每个量子位元在基态初始化,表示为零。这种高度有序的结构对应于一个小区域内的电子,或者是一个台球架。

该团队开始计算观察到一个“散开”的电子自发地“收回”到几分之一秒前小局域空间的概率,事实证明,即使一个人花费整个宇宙的寿命——137
亿年那么长的时间进行观测,每秒观测 100
亿个局域电子,也只能观测到一次粒子状态的逆向演化。即便如此,粒子最多也只能返回到百亿分之一秒前的过去。

阶段2:演进。秩序混乱了,就像电子被涂抹在越来越大的空间区域上,或者架子被打碎在台球桌上,量子位元的状态变成了一个由0和1组成的越来越复杂变化模式。这是通过在量子计算机上简单地启动进化程序来实现的。实际上,由于与环境的相互作用,类似的逆转也会自行发生。然而,自主发展受控程序将使实验的最后阶段成为可能。

至于大规模的现象,比如台球对撞、火山喷发等等,时间尺度显然更大,涉及到电子及其他粒子的数量更是数不清。这就解释了为什么我们看不到人类返老还童,或者墨迹从纸上分离出来。

阶段3:时间逆转。一个特殊程序可以改变量子计算机的状态,这样时间就可以“向后”逆转,从混沌走向有序。这种操作类似于电子情况下的随机微波背景涨落,但这一次,是被故意诱导的。对于台球的例子,一个明显牵强附会的类比是,有人给了桌子一个经过完美计算的踢脚。

科学家通过量子计算机逆转时间

阶段4:再生。第二阶段的演进计划再次启动。如果“踢”成功了,程序不会导致更多的混乱,而是将量子位元的状态倒回过去,就像弄脏的电子会被定位,或者台球会在反向回放中沿着轨迹折回,最终形成一个三角形。

为了研究这一现象,科学家使用了一台由电子“量子比特”构成的量子计算机。量子比特是量子计算机的基本信息单位,由“1”“0”或这两者的混合“叠加”来描述。

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在实验中,他们启动了一个“进化程序”,该程序使量子比特进入一种逐渐复杂的1和0不断变化的状态。在此过程中,量子比特失去了秩序,就像摆好的台球被撞击,散落各处一样。但随后,另一个程序修改了量子计算机的状态,使其“向后”演进,从混乱变为有序,这意味着量子比特重回初始状态。

研究人员发现,在85%的情况下,双量子位量子计算机会回到初始状态。当涉及到三个量子位元时,会发生更多的错误,导致大约50%的成功率。研究作者表示:这些误差是由于实际量子计算机的缺陷造成。随着更复杂设备的设计,错误率预计会下降。有趣的是,时间反转倒流算法本身可以证明对量子计算机更精确有用。列别捷夫解释说:我们的算法可以更新,并用于测试为量子计算机编写的程序,消除噪音和错误。

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研究人员发现,当使用两个量子比特时,“时间逆转”的成功率为85%;而当使用3个量子比特时,成功率下跌到50%。他们认为,随着所用设备的复杂程度不断提高,错误率有望下降。

博科园-科学科普|研究/来自: 莫斯科物理科学与技术学院

有趣的是,时间逆转算法本身可能有助于提高量子计算机的精确性。列别捷夫解释说
:“我们的算法更新后,可以用于测试为量子计算机编写的程序,消除噪声和误差。”

参考期刊文献:《Scientific Reports》

或许有一天,人类真的可以逆转时间,随意穿梭于五维世界,那又将是怎样一种盛况呢?

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