量子计算机让时间倒流?你先让猴子写出莎士比亚诗篇

来源:北京科技报    作者:      2019-03-27 15:46

导语:

新媒体编辑/陈炫之  

文/记者 刘辛味 编辑/刘昭

近期有媒体报道了一则爆炸性新闻,科学家使用量子计算机实现了“时间倒流”。时间机器就要梦想成真了吗?时间之箭将被扭转?

近日,国外媒体报道了一则爆炸性新闻,科学家使用量子计算机实现了“时间倒流”,其中也不乏一些老牌的科学媒体,比如《发现》(Discover)的标题用了“科学家在量子计算机中逆转时间,可能违反物理学定律”。随着近年来量子计算机的火热,时间机器这个人类历史中最具幻想的产物似乎要成真了?

可惜,这也只是为了吸引大众进行了标题处理。它们的报道不能被称之为假新闻,因为原始论文的标题就很有“艺术感”,来自莫斯科物理与技术研究所、美国阿贡实验室和苏黎世联邦理工学院的研究人员在《科学报告》(Scientific Reports)上发表了题为“时间之箭及其在IBM量子计算机上的逆转”的论文。当新闻的标题变成了“标题党”而让大众误解,很容易变成科学谣言。

  时间之箭 

  要了解他们做了什么,还要先从时间之箭谈起(Arrow of time)。所谓时间之箭是指时间的单一方向,人们会觉得时间流逝是最为平常的事,而物理学定律往往是关于时间对称的,也就是说把时间换一个方向,物理定律同样适用。

正如用拍下两个台球的碰撞并反弹的视频,如果倒放视频,你不会感到有任何区别。而在物理学中描述“倒放”过程的方程与正常播放的过程是一样的。到底是什么造成了时间的方向,长期以来都是物理学家的未解之谜。

在研究时间之箭的源头时,物理学家把热力学第二定律和时间联系了起来。热力学第二定律也叫熵增定律,指在封闭的热力学系统中的熵总是增加的,意味着系统向着混乱而非有序的方向发展。这条经验定律很容易帮助理解时间之箭,如果比作台球开球,一个球去撞击一堆球,球会四散开来变得更加混乱,时间也不会倒流。如果没有热力学第二定律,其他的物理定律还是可以让这些球回归原位,可这恰恰违反了热力学第二定律。还有许多生活中的例子,比如熟饭不会变成生米,摔碎的杯子不会复原……

▲宇宙的膨胀被认为也是一种时间之箭,它和热力学时间之箭也有关系。来源:ScienceBlogs▲宇宙的膨胀被认为也是一种时间之箭,它和热力学时间之箭也有关系。来源:ScienceBlogs

那么这篇论文到底说了什么?论文作者,莫斯科物理与技术研究所(MIPT)量子信息技术实验室负责人Gordey Lesovik说,“这是一系列关于可能违背热力学第二定律的论文之一,我们人为的创造了一个状态,它朝着时间之箭相反的方向发展。”

时间反演,理论上的存在 

团队首先研究了一个孤立的电子的状态能否自发地逆转。MIPT和苏黎世联邦理工学院的Andrey Lebedev表示,电子状态随时间演化受到薛定谔方程决定,虽然方程本身对过去和未来没有区分,但因为热力学第二定律,电子所处的区域会迅速扩大,向混乱的方向发展。

“假设我们开始观测时电子是局域的,也就是说我们能确定它在空间中的位置,虽然量子力学原理告诉我们不会知道它的精准位置(只能知道几率),但我们能大概划出一小块电子所在的区域” ,Andrey Lebedev解释说。他表示接下来电子所在的区域会变大,系统更趋于混乱,这就像把台球撞散开。

美国阿贡国家实验室的Valerii Vinokur补充道,“但薛定谔方程是可逆的,从数学上讲,在一种特定的变化规则下(复共轭),方程可以描述一个‘模糊’的电子会在同一时间内回到原来的区域。”这种现象在实验上还没发现,但理论上它可能是由于宇宙微波背景辐射的随机涨落造成的。事实上,量子力学中的时间反演(Time reversal)就是一种数学变化,并非指时间倒流或逆转时间,他们所做的其实是相当于视频倒放。

研究团队计算出了一个电子变“模糊”后自发地回原来位置的概率。结果表明,在整个宇宙的生命周期137亿年里,每秒钟观察100亿个电子,电子的反向演化只会出现一次。即便如此,倒回去的时间也不足百亿分之一秒。

对于这在现实中的可能性,Valerii Vinokur接受LiveScience采访时说,“就像你给猴子一台打字机和足够长的时间,也许它能成为莎士比亚。”如此之小的概率也解释了为什么在宏观上不会出现“逆向”操作,但是研究团队还决定人为的设计实验来实现反演。

量子计算机中的回到过去 

研究团队设计了一个“四步走”的实验让时间“逆转”,当然不可能直接去观察电子的运动。他们使用的是IBM量子计算机中的超导量子比特,并开发了一种算法让量子计算机模拟两能级之间的电子散射——电子从局域的,或“可见的”状态,变成散射的状态,就像把摆好的台球撞散开。然后,算法把这个过程反过来,粒子返回到它的初始状态。他们认为,在几分之一秒内,粒子向时间之箭的反方向演化了——他们做了一个量子计算机版本的视频倒放。

在MIPT发布的新闻中讲述了他们的四步实验。

第一步有序(Order)相当于把台球摆好,每个量子比特处于初始状态,表示为0。

第二步退化(degradation),有序的状态消失,量子比特变成了一个由0和1组成的复杂变化模式中。这一步相当于给台球开球,模拟的电子就开始向混乱无序状态发展。

第三步时间反演(Time reversal),他们用一个特殊的程序来改变量子计算机的状态,让其“向后”演化,从混乱走向有序。“如果用一个牵强的类比,这相当于踢了桌子一下,这一踢是经过完美计算的。”

第四步再生(Regeneration),第二阶段的过程再次启动,如果之前的完美一踢已经成功,则系统不会变的更加混乱,而量子状态会回到过去,就像台球会回到原位。

▲研究人员用台球和电子类比他们的实验。来源:MIPT▲研究人员用台球和电子类比他们的实验。来源:MIPT

他们最终发现使用两个量子比特的系统中,回到初始状态的成功率为85%,而在三个量子比特的系统中,只有50%。他们认为这是由于实际的量子计算机的缺陷造成,更复杂的系统更难以控制。

实验结果有什么意义?

“我们做了过去被认为不可能做到的事”,Andrey Lebedev说。他认为这一结果能加深人们对热力学第二定律的理解,他们此前通过麦克斯韦妖(物理学中假想的妖,能探测并控制单个分子的运动,于1871年由英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦为了说明违反热力学第二定律的可能性而设想的)的实验表明在隐形传输(teleporting)信息的条件下,量子系统的局部可能会违背这一物理定律,并不表明这条定律被破坏了。这次他们从另一个方面重新研究了这一问题。

Gordey Lesovik认为他们的实验肯定了“测量”在量子物理中的作用,“实验结果也表明不可逆的观点是测量导致,强调了‘测量’在量子物理学扮演着重要角色。”当提到测量的概念时,总是会提到薛定谔那只半死不活的猫,当这只猫在一个密闭盒子内处于一种又死又活的叠加态,而只有当打开盒子,也就是“测量”时才知道它真正的状态。研究人员通过限制“测量”,让量子比特处于一种量子叠加态中,只有在开始和最后对系统进行了测量,中间没有任何干扰。

▲薛定谔的猫现在已经成为了一种流行文化 来源:medium.com▲薛定谔的猫现在已经成为了一种流行文化 来源:medium.com

同时,他们认为可以通过时间反演的方法来帮助量子计算机更有效的运行。Gordey Lesovik表示,量子计算机的问题在于量子比特总处于叠加态上,如果中途被打断并测量就破坏了叠加态,结果会以某种概率反映到元件上。

“正因如此我们并不总能很明确地验证计算结果,时间反演就能帮上忙了,我们对计算机的最终状态进行逆转,用同样的量子程序,如果计算正确,我们会达到量子计算机的初始状态”。即使在3个量子比特情况下就难以控制,Vinokur还是表示了他们下一步的目标是更大的量子计算机系统。

褒贬不一 

实际上,这一研究跟时间旅行或者时间逆转没有任何关系。正如绝大部分研究一样,科学界对这种吸引人眼球的研究态度不一。在《麻省理工科技评论》的采访中,德克萨斯大学奥斯汀分校量子信息中心主任Scott Aaronson就说,“如果你在电脑上模拟一个可逆过程,只需要把时间向相反的方向模拟就可以了。快速浏览过论文后,我承认,如果只是换成了IBM的量子计算机模拟,我没看出来有什么更深远的意义。“

也有科学家从物理意义上做出了值得肯定的评价。“这项研究对物理学的基础做出了很好的贡献”,达特茅斯学院物理学助理教授James Whitfield在采访中表示,“它提醒我们,并非量子计算的所有程序都必须面向实际应用才是有趣的。”

然而当“标题党”的新闻出现后,有人把矛头还是对准了与科学与公众的关系。一位不愿透露姓名的量子科学家表示,“我不知道这有何用处,不是时间机器,也没有违反任何物理定律。这种炒作只会坏了量子计算的名声。”

《麻省理工科技评论》发表评论认为,这类新闻的出现不仅仅给量子计算招来恶评,还会伤害科学和公众本身。公众很容易被超出他们理解范围内的东西迷惑。为了解释不好理解的量子力学而配上哗众取宠的新闻,只会让科学与公众越来越远。

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