量子計(jì)算機(jī)讓時(shí)間倒流？你先讓猴子寫出莎士比亞詩(shī)篇

　　近期有媒體報(bào)道了一則爆炸性新聞，科學(xué)家使用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了“時(shí)間倒流”。時(shí)間機(jī)器就要夢(mèng)想成真了嗎?時(shí)間之箭將被扭轉(zhuǎn)?

　　近日，國(guó)外媒體報(bào)道了一則爆炸性新聞，科學(xué)家使用量子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了“時(shí)間倒流”，其中也不乏一些老牌的科學(xué)媒體，比如《發(fā)現(xiàn)》(Discover)的標(biāo)題用了“科學(xué)家在量子計(jì)算機(jī)中逆轉(zhuǎn)時(shí)間，可能違反物理學(xué)定律”。隨著近年來(lái)量子計(jì)算機(jī)的火熱，時(shí)間機(jī)器這個(gè)人類歷史中最具幻想的產(chǎn)物似乎要成真了?

　　可惜，這也只是為了吸引大眾進(jìn)行了標(biāo)題處理。它們的報(bào)道不能被稱之為假新聞，因?yàn)樵颊撐牡臉?biāo)題就很有“藝術(shù)感”，來(lái)自莫斯科物理與技術(shù)研究所、美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在《科學(xué)報(bào)告》(Scientific Reports)上發(fā)表了題為“時(shí)間之箭及其在IBM量子計(jì)算機(jī)上的逆轉(zhuǎn)”的論文。當(dāng)新聞的標(biāo)題變成了“標(biāo)題黨”而讓大眾誤解，很容易變成科學(xué)謠言。

　　時(shí)間之箭

　　要了解他們做了什么，還要先從時(shí)間之箭談起(Arrow of time)。所謂時(shí)間之箭是指時(shí)間的單一方向，人們會(huì)覺(jué)得時(shí)間流逝是最為平常的事，而物理學(xué)定律往往是關(guān)于時(shí)間對(duì)稱的，也就是說(shuō)把時(shí)間換一個(gè)方向，物理定律同樣適用。

　　正如用拍下兩個(gè)臺(tái)球的碰撞并反彈的視頻，如果倒放視頻，你不會(huì)感到有任何區(qū)別。而在物理學(xué)中描述“倒放”過(guò)程的方程與正常播放的過(guò)程是一樣的。到底是什么造成了時(shí)間的方向，長(zhǎng)期以來(lái)都是物理學(xué)家的未解之謎。

　　在研究時(shí)間之箭的源頭時(shí)，物理學(xué)家把熱力學(xué)第二定律和時(shí)間聯(lián)系了起來(lái)。熱力學(xué)第二定律也叫熵增定律，指在封閉的熱力學(xué)系統(tǒng)中的熵總是增加的，意味著系統(tǒng)向著混亂而非有序的方向發(fā)展。這條經(jīng)驗(yàn)定律很容易幫助理解時(shí)間之箭，如果比作臺(tái)球開(kāi)球，一個(gè)球去撞擊一堆球，球會(huì)四散開(kāi)來(lái)變得更加混亂，時(shí)間也不會(huì)倒流。如果沒(méi)有熱力學(xué)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(xué)第二定律。還有許多生活中的例子，比如熟飯不會(huì)變成生米，摔碎的杯子不會(huì)復(fù)原……

　　▲宇宙的膨脹被認(rèn)為也是一種時(shí)間之箭，它和熱力學(xué)時(shí)間之箭也有關(guān)系。來(lái)源：ScienceBlogs

　　那么這篇論文到底說(shuō)了什么?論文作者，莫斯科物理與技術(shù)研究所(MIPT)量子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人Gordey Lesovik說(shuō)，“這是一系列關(guān)于可能違背熱力學(xué)第二定律的論文之一，我們?nèi)藶榈膭?chuàng)造了一個(gè)狀態(tài)，它朝著時(shí)間之箭相反的方向發(fā)展?！?/p>

　　時(shí)間反演，理論上的存在

　　團(tuán)隊(duì)首先研究了一個(gè)孤立的電子的狀態(tài)能否自發(fā)地逆轉(zhuǎn)。MIPT和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Andrey Lebedev表示，電子狀態(tài)隨時(shí)間演化受到薛定諤方程決定，雖然方程本身對(duì)過(guò)去和未來(lái)沒(méi)有區(qū)分，但因?yàn)闊崃W(xué)第二定律，電子所處的區(qū)域會(huì)迅速擴(kuò)大，向混亂的方向發(fā)展。

　　“假設(shè)我們開(kāi)始觀測(cè)時(shí)電子是局域的，也就是說(shuō)我們能確定它在空間中的位置，雖然量子力學(xué)原理告訴我們不會(huì)知道它的精準(zhǔn)位置(只能知道幾率)，但我們能大概劃出一小塊電子所在的區(qū)域” ，Andrey Lebedev解釋說(shuō)。他表示接下來(lái)電子所在的區(qū)域會(huì)變大，系統(tǒng)更趨于混亂，這就像把臺(tái)球撞散開(kāi)。

　　美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Valerii Vinokur補(bǔ)充道，“但薛定諤方程是可逆的，從數(shù)學(xué)上講，在一種特定的變化規(guī)則下(復(fù)共軛)，方程可以描述一個(gè)‘模糊’的電子會(huì)在同一時(shí)間內(nèi)回到原來(lái)的區(qū)域?！边@種現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)上還沒(méi)發(fā)現(xiàn)，但理論上它可能是由于宇宙微波背景輻射的隨機(jī)漲落造成的。事實(shí)上，量子力學(xué)中的時(shí)間反演(Time reversal)就是一種數(shù)學(xué)變化，并非指時(shí)間倒流或逆轉(zhuǎn)時(shí)間，他們所做的其實(shí)是相當(dāng)于視頻倒放。

　　研究團(tuán)隊(duì)計(jì)算出了一個(gè)電子變“模糊”后自發(fā)地回原來(lái)位置的概率。結(jié)果表明，在整個(gè)宇宙的生命周期137億年里，每秒鐘觀察100億個(gè)電子，電子的反向演化只會(huì)出現(xiàn)一次。即便如此，倒回去的時(shí)間也不足百億分之一秒。

　　對(duì)于這在現(xiàn)實(shí)中的可能性，Valerii Vinokur接受LiveScience采訪時(shí)說(shuō)，“就像你給猴子一臺(tái)打字機(jī)和足夠長(zhǎng)的時(shí)間，也許它能成為莎士比亞。”如此之小的概率也解釋了為什么在宏觀上不會(huì)出現(xiàn)“逆向”操作，但是研究團(tuán)隊(duì)還決定人為的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)反演。

　　量子計(jì)算機(jī)中的回到過(guò)去

　　研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)“四步走”的實(shí)驗(yàn)讓時(shí)間“逆轉(zhuǎn)”，當(dāng)然不可能直接去觀察電子的運(yùn)動(dòng)。他們使用的是IBM量子計(jì)算機(jī)中的超導(dǎo)量子比特，并開(kāi)發(fā)了一種算法讓量子計(jì)算機(jī)模擬兩能級(jí)之間的電子散射——電子從局域的，或“可見(jiàn)的”狀態(tài)，變成散射的狀態(tài)，就像把擺好的臺(tái)球撞散開(kāi)。然后，算法把這個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)，粒子返回到它的初始狀態(tài)。他們認(rèn)為，在幾分之一秒內(nèi)，粒子向時(shí)間之箭的反方向演化了——他們做了一個(gè)量子計(jì)算機(jī)版本的視頻倒放。

　　在MIPT發(fā)布的新聞中講述了他們的四步實(shí)驗(yàn)。

　　第一步有序(Order)相當(dāng)于把臺(tái)球擺好，每個(gè)量子比特處于初始狀態(tài)，表示為0。

　　第二步退化(degradation)，有序的狀態(tài)消失，量子比特變成了一個(gè)由0和1組成的復(fù)雜變化模式中。這一步相當(dāng)于給臺(tái)球開(kāi)球，模擬的電子就開(kāi)始向混亂無(wú)序狀態(tài)發(fā)展。

　　第三步時(shí)間反演(Time reversal)，他們用一個(gè)特殊的程序來(lái)改變量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)，讓其“向后”演化，從混亂走向有序。“如果用一個(gè)牽強(qiáng)的類比，這相當(dāng)于踢了桌子一下，這一踢是經(jīng)過(guò)完美計(jì)算的?！?/p>

　　第四步再生(Regeneration)，第二階段的過(guò)程再次啟動(dòng)，如果之前的完美一踢已經(jīng)成功，則系統(tǒng)不會(huì)變的更加混亂，而量子狀態(tài)會(huì)回到過(guò)去，就像臺(tái)球會(huì)回到原位。

　　▲研究人員用臺(tái)球和電子類比他們的實(shí)驗(yàn)。來(lái)源：MIPT

　　他們最終發(fā)現(xiàn)使用兩個(gè)量子比特的系統(tǒng)中，回到初始狀態(tài)的成功率為85%，而在三個(gè)量子比特的系統(tǒng)中，只有50%。他們認(rèn)為這是由于實(shí)際的量子計(jì)算機(jī)的缺陷造成，更復(fù)雜的系統(tǒng)更難以控制。

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么意義?

　　“我們做了過(guò)去被認(rèn)為不可能做到的事”，Andrey Lebedev說(shuō)。他認(rèn)為這一結(jié)果能加深人們對(duì)熱力學(xué)第二定律的理解，他們此前通過(guò)麥克斯韋妖(物理學(xué)中假想的妖，能探測(cè)并控制單個(gè)分子的運(yùn)動(dòng)，于1871年由英國(guó)物理學(xué)家詹姆斯·麥克斯韋為了說(shuō)明違反熱力學(xué)第二定律的可能性而設(shè)想的)的實(shí)驗(yàn)表明在隱形傳輸(teleporting)信息的條件下，量子系統(tǒng)的局部可能會(huì)違背這一物理定律，并不表明這條定律被破壞了。這次他們從另一個(gè)方面重新研究了這一問(wèn)題。

　　Gordey Lesovik認(rèn)為他們的實(shí)驗(yàn)肯定了“測(cè)量”在量子物理中的作用，“實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明不可逆的觀點(diǎn)是測(cè)量導(dǎo)致，強(qiáng)調(diào)了‘測(cè)量’在量子物理學(xué)扮演著重要角色?！碑?dāng)提到測(cè)量的概念時(shí)，總是會(huì)提到薛定諤那只半死不活的貓，當(dāng)這只貓?jiān)谝粋€(gè)密閉盒子內(nèi)處于一種又死又活的疊加態(tài)，而只有當(dāng)打開(kāi)盒子，也就是“測(cè)量”時(shí)才知道它真正的狀態(tài)。研究人員通過(guò)限制“測(cè)量”，讓量子比特處于一種量子疊加態(tài)中，只有在開(kāi)始和最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量，中間沒(méi)有任何干擾。

　　▲薛定諤的貓現(xiàn)在已經(jīng)成為了一種流行文化 來(lái)源：medium.com　　

         同時(shí)，他們認(rèn)為可以通過(guò)時(shí)間反演的方法來(lái)幫助量子計(jì)算機(jī)更有效的運(yùn)行。Gordey Lesovik表示，量子計(jì)算機(jī)的問(wèn)題在于量子比特總處于疊加態(tài)上，如果中途被打斷并測(cè)量就破壞了疊加態(tài)，結(jié)果會(huì)以某種概率反映到元件上。

　　“正因如此我們并不總能很明確地驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，時(shí)間反演就能幫上忙了，我們對(duì)計(jì)算機(jī)的最終狀態(tài)進(jìn)行逆轉(zhuǎn)，用同樣的量子程序，如果計(jì)算正確，我們會(huì)達(dá)到量子計(jì)算機(jī)的初始狀態(tài)”。即使在3個(gè)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(biāo)是更大的量子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

　　褒貶不一

　　實(shí)際上，這一研究跟時(shí)間旅行或者時(shí)間逆轉(zhuǎn)沒(méi)有任何關(guān)系。正如絕大部分研究一樣，科學(xué)界對(duì)這種吸引人眼球的研究態(tài)度不一。在《麻省理工科技評(píng)論》的采訪中，德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校量子信息中心主任Scott Aaronson就說(shuō)，“如果你在電腦上模擬一個(gè)可逆過(guò)程，只需要把時(shí)間向相反的方向模擬就可以了。快速瀏覽過(guò)論文后，我承認(rèn)，如果只是換成了IBM的量子計(jì)算機(jī)模擬，我沒(méi)看出來(lái)有什么更深遠(yuǎn)的意義?！?/p>

　　也有科學(xué)家從物理意義上做出了值得肯定的評(píng)價(jià)?！斑@項(xiàng)研究對(duì)物理學(xué)的基礎(chǔ)做出了很好的貢獻(xiàn)”，達(dá)特茅斯學(xué)院物理學(xué)助理教授James Whitfield在采訪中表示，“它提醒我們，并非量子計(jì)算的所有程序都必須面向?qū)嶋H應(yīng)用才是有趣的。”

　　然而當(dāng)“標(biāo)題黨”的新聞出現(xiàn)后，有人把矛頭還是對(duì)準(zhǔn)了與科學(xué)與公眾的關(guān)系。一位不愿透露姓名的量子科學(xué)家表示，“我不知道這有何用處，不是時(shí)間機(jī)器，也沒(méi)有違反任何物理定律。這種炒作只會(huì)壞了量子計(jì)算的名聲。”

　　《麻省理工科技評(píng)論》發(fā)表評(píng)論認(rèn)為，這類新聞的出現(xiàn)不僅僅給量子計(jì)算招來(lái)惡評(píng)，還會(huì)傷害科學(xué)和公眾本身。公眾很容易被超出他們理解范圍內(nèi)的東西迷惑。為了解釋不好理解的量子力學(xué)而配上嘩眾取寵的新聞，只會(huì)讓科學(xué)與公眾越來(lái)越遠(yuǎn)。