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在那瞬間,量子計算機制造了一次時光倒流

電影《夏洛特煩惱》中,夏洛“偶然”穿越了時間,回到了他的中學時期。於是,他利用生活的經驗,轉身變為大歌星,成為人生的贏家,住豪宅,開跑車,娶美女,過上了普通人難以企及的生活。然而,現實是殘酷的,時間不可逆,“逝者如斯夫”啊!

可是,對於單個原子來說,時間的逆轉在百萬分之一秒內可以實現。紐約時報日前報導了這樣一項研究,通過在IBM的量子計算機上人為操控單個粒子的量子狀態,可以讓單個粒子變得更“年輕”實際上,這項由來自俄國和美國的物理學家共同完成的研究,是去年在論文預印本網站arxiv上發布的。

對於經典計算機,每一個儲存位或是0,或是1,以此來存儲或處理信息。而量子計算機的一大優勢,就是每一個儲存位可以同時是0或者是1,是兩者的一個疊加狀態,如同那隻著名的薛定諤貓一樣,同時是死或活的狀態。

本來在物理學的基礎理論中,沒有時間的箭頭。時間向前演進和向後演進,同樣符合基本的物理方程。因此,突然有了時間箭頭這件事,不管是牛頓力學,還是高速運動下的相對論力學,量子力學都是不可理解的。

現在知道,時間不可逆的根源是熱力學第二定律,其本質上是統計規律導致。所以一個必要的條件是有大量的原子,比如數量級達到10的23次方以上的宏觀物體,就滿足這個條件,因而導致時間出現逆轉的幾率只會在理論上出現,現實中可以忽略不計。所以才會出現破鏡難圓,覆水難收。

這一次物理學家的成果,著眼於單個粒子的量子狀態,在IBM的量子計算機中實現了單個原子的狀態的時間逆轉。量子計算機可以解決經典計算機所無法解決的問題,比如大數的因數分解,這個會引發密碼安全的問題,因而其發展受到大家的廣泛關注。在量子計算機領域,有“量子霸權”的說法,當人為控制的量子位達到一定的數量,比如40位,就可以完成對經典計算機的取代。但目前量子計算機的一個重要問題是其量子位不穩定,易受到環境擾動的影響。

量子力學中,一個基本的概念是認為粒子也有波動性,而這些波必須滿足薛定諤方程。在薛定諤方程中,讓時間反演,方程也成立。但據這篇文章看來,理論上看起來“成立”事情,現實操作起來很困難,這是技術上的一個難題,而在自然環境中,幾乎不可能發生。

他們的實驗分為如下幾步,首先,用量子比特模仿一個“人造原子”的簡單初始狀態。然後,該團隊用一系列微波無線電脈衝點擊量子比特,經過了τ(?10-6s),這使得量子比特從一個簡單的狀態變得更加複雜。此後,科學家用另一個微波脈衝點擊量子比特,經過了τ時間後,使得原子回復到初狀態,相似程度達到86%。所以,原子在人為的操縱下,又變得“年輕”了,雖然沒有完全回復到以前的狀態。

這一次,並非大量粒子的統計規律導致了時間箭頭,單個粒子的狀態在自然狀況中也是不可逆的。文章認為對於時間逆轉,需要一個複雜的人為操作。但在大多數情況下,這樣的操作不可能自發地發生在自然界。

我們的結果證實,即使是符合量子力學的粒子,讓它在自然界自行發生時間反轉,也幾乎是不可能的”,Vinokuor博士認為,目前他是美國阿貢實驗室的成員。也是這篇論文的五位作者之一。

考慮到量子力學中佔基礎地位的海森堡的測不準原理表述,即你不能同時非常精確地了解一個原子的位置和其動量。Vinokuor以打台球比喻說,如果你打的是量子台球,對單原子進行時間逆轉操控,難度在於用球杆把台球打到原始的位置。粗略的說,打台球的力度和方向是無法完全確定的。

當系統增加到兩個粒子,如果粒子在初始時刻波包有疊加的狀態。那麽,用經典的電磁場完全沒有辦法恢復到粒子的初始狀態;即使沒有疊加,量子的糾纏狀態——即愛因斯坦所說的怪異的相互作用(spooky interaction)——讓兩個粒子的狀態瞬間關聯在一起,從而讓問題的複雜程度增加到一個新的層次,用經典的電磁場沒法完全回復粒子的初始狀態。

圖丨左:“IBM Q”量子系統的稀釋製冷機,裡面裝有量子計算機。

右:IBM量子計算科學家 Hanhee Paik(左)和 Sarah Sheldon(右)展示紐約約克敦 IBM T. J. Watson 研究中心內一個打開的稀釋製冷機內的硬體。( 來源:IBM Research)

時間可逆性問題,在2002年就引起了大家的關注。因為當時一組澳大利亞的科學家發現,微米量級的小球,在分鐘尺度內,會出現破壞熱力學第二定律的現象。當時,甚至《新科學家》都以“熱力學第二定律遭到破壞”對此進行了報導。

單個粒子的時間逆轉已經很困難了,更不要談我們日常生活中碰到的宏觀數量級的粒子。所以,在實際生活中,你我都被時間的洪流推動著,向前跑。

-End-

作者系重慶師范大學物理與電子工程學院副教授

參考:

https://arxiv.org/abs/1712.10057

Physical Review Letters 89(5):050601

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