电影《夏洛特烦恼》中,夏洛“偶然”穿越了时间,回到了他的中学时期。于是,他利用生活的经验,转身变为大歌星,成为人生的赢家,住豪宅,开跑车,娶美女,过上了普通人难以企及的生活。然而,现实是残酷的,时间不可逆,“逝者如斯夫”啊!
可是,对于单个原子来说,时间的逆转在百万分之一秒内可以实现。纽约时报日前报道了这样一项研究,通过在IBM的量子计算机上人为操控单个粒子的量子状态,可以让单个粒子变得更“年轻”。实际上,这项由来自俄国和美国的物理学家共同完成的研究,是去年在论文预印本网站arxiv上发布的。
对于经典计算机,每一个储存位或是0,或是1,以此来存储或处理信息。而量子计算机的一大优势,就是每一个储存位可以同时是0或者是1,是两者的一个叠加状态,如同那只著名的薛定谔猫一样,同时是死或活的状态。
本来在物理学的基础理论中,没有时间的箭头。时间向前演进和向后演进,同样符合基本的物理方程。因此,突然有了时间箭头这件事,不管是牛顿力学,还是高速运动下的相对论力学,量子力学都是不可理解的。
现在知道,时间不可逆的根源是热力学第二定律,其本质上是统计规律导致。所以一个必要的条件是有大量的原子,比如数量级达到10的23次方以上的宏观物体,就满足这个条件,因而导致时间出现逆转的几率只会在理论上出现,现实中可以忽略不计。所以才会出现破镜难圆,覆水难收。
这一次物理学家的成果,着眼于单个粒子的量子状态,在IBM的量子计算机中实现了单个原子的状态的时间逆转。量子计算机可以解决经典计算机所无法解决的问题,比如大数的因数分解,这个会引发密码安全的问题,因而其发展受到大家的广泛关注。在量子计算机领域,有“量子霸权”的说法,当人为控制的量子位达到一定的数量,比如40位,就可以完成对经典计算机的取代。但目前量子计算机的一个重要问题是其量子位不稳定,易受到环境扰动的影响。
量子力学中,一个基本的概念是认为粒子也有波动性,而这些波必须满足薛定谔方程。在薛定谔方程中,让时间反演,方程也成立。但据这篇文章看来,理论上看起来“成立”事情,现实操作起来很困难,这是威廉希尔官方网站 上的一个难题,而在自然环境中,几乎不可能发生。
他们的实验分为如下几步,首先,用量子比特模仿一个“人造原子”的简单初始状态。然后,该团队用一系列微波无线电脉冲点击量子比特,经过了τ(∼10-6s),这使得量子比特从一个简单的状态变得更加复杂。此后,科学家用另一个微波脉冲点击量子比特,经过了τ时间后,使得原子回复到初状态,相似程度达到86%。所以,原子在人为的操纵下,又变得“年轻”了,虽然没有完全回复到以前的状态。
这一次,并非大量粒子的统计规律导致了时间箭头,单个粒子的状态在自然状况中也是不可逆的。文章认为对于时间逆转,需要一个复杂的人为操作。但在大多数情况下,这样的操作不可能自发地发生在自然界。
“我们的结果证实,即使是符合量子力学的粒子,让它在自然界自行发生时间反转,也几乎是不可能的”,Vinokuor博士认为,目前他是美国阿贡实验室的成员。也是这篇论文的五位作者之一。
考虑到量子力学中占基础地位的海森堡的测不准原理表述,即你不能同时非常精确地了解一个原子的位置和其动量。Vinokuor以打台球比喻说,如果你打的是量子台球,对单原子进行时间逆转操控,难度在于用球杆把台球打到原始的位置。粗略的说,打台球的力度和方向是无法完全确定的。
当系统增加到两个粒子,如果粒子在初始时刻波包有叠加的状态。那么,用经典的电磁场完全没有办法恢复到粒子的初始状态;即使没有叠加,量子的纠缠状态——即爱因斯坦所说的怪异的相互作用(spooky interaction)——让两个粒子的状态瞬间关联在一起,从而让问题的复杂程度增加到一个新的层次,用经典的电磁场没法完全回复粒子的初始状态。
图丨左:“IBM Q”量子系统的稀释制冷机,里面装有量子计算机。
右:IBM量子计算科学家 Hanhee Paik(左)和 Sarah Sheldon(右)展示纽约约克敦 IBM T. J. Watson 研究中心内一个打开的稀释制冷机内的硬件。( 来源:IBM Research)
时间可逆性问题,在2002年就引起了大家的关注。因为当时一组澳大利亚的科学家发现,微米量级的小球,在分钟尺度内,会出现破坏热力学第二定律的现象。当时,甚至《新科学家》都以“热力学第二定律遭到破坏”对此进行了报道。
单个粒子的时间逆转已经很困难了,更不要谈我们日常生活中碰到的宏观数量级的粒子。所以,在实际生活中,你我都被时间的洪流推动着,向前跑。
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原文标题:在那瞬间,量子计算机制造了一次时光倒流
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