量子力學(xué)和引力理論因互不相容而臭名昭著，盡管在過去的五十年里，許多物理學(xué)家都做出了努力。然而，現(xiàn)在一個由維也納大學(xué)、奧地利科學(xué)院、昆士蘭大學(xué)和史蒂文斯理工學(xué)院物理學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的國際研究小組，將描述時間流動兩種理論的關(guān)鍵要素結(jié)合起來，發(fā)現(xiàn)事件之間的時間順序可以顯示出量子特征。

根據(jù)廣義相對論，大質(zhì)量物體的存在減慢了時間流動。這意味著放置在一個巨大物體附近的時鐘會比放置在更遠(yuǎn)物體上的時鐘運(yùn)行得慢。

然而，量子理論定律能讓任何物體以疊加態(tài)制備，兩個位置的疊加狀態(tài)不同于將一個物體隨機(jī)放置在一個位置或另一個位置：這是物體存在的另一種方式，量子物理定律允許這樣做。物理學(xué)中一個懸而未決的問題是：當(dāng)一個質(zhì)量足以影響時間流動的物體處于量子疊加狀態(tài)時會發(fā)生什么？這是一個有爭議的話題：一些物理學(xué)家稱這種情況根本不可能發(fā)生（一些新機(jī)制必須從一開始就阻止疊加的形成）而另一些物理學(xué)家則建立假設(shè)，這是可能的基礎(chǔ)上，發(fā)展出完整的理論。

昆士蘭大學(xué)Magdalena Zych解釋說：首先要解決一個問題，如果一個時鐘受到一個處于量子疊加態(tài)的巨大物體影響，它會測量什么？科學(xué)家們本以為會遇到一些障礙，使這一設(shè)想成為不可能，但令人驚訝的是，使用標(biāo)準(zhǔn)物理教科書能夠準(zhǔn)確地描述發(fā)生了什么。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一個巨大質(zhì)量物體被放置在一組時鐘附近的量子疊加位置時，時間順序可以成為真正的量子，而不受任何經(jīng)典描述的影響。維也納大學(xué)和奧地利科學(xué)院的合著者卡斯拉夫·布魯克納表示：量子時間順序可能出現(xiàn)的機(jī)制與日常經(jīng)驗(yàn)相當(dāng)遙遠(yuǎn)。

但研究中最重要的發(fā)現(xiàn)是，量子時間順序是完全可能的，它會產(chǎn)生新的物理效應(yīng)。為了說明發(fā)生了什么，想象兩艘星際飛船正在為一個任務(wù)進(jìn)行訓(xùn)練。他們被要求在指定的時間向?qū)Ψ介_火，并立即發(fā)動引擎，以躲避對方的攻擊。如果任何一艘船太早開火，它將摧毀另一艘，這就在開火事件之間建立了一個明確無誤的時間順序。如果一個強(qiáng)大可以放置一個足夠大的物體，比如說一顆行星，靠近一艘飛船，它就會減慢計(jì)算時間的速度。因此，離質(zhì)量較遠(yuǎn)的船將過早地開火，而第一個人無法逃脫。

量子物理和引力定律預(yù)測，通過操縱行星的量子疊加狀態(tài)，飛船最終可能會被摧毀，而這兩種狀態(tài)中的任何一種都會被摧毀。這種涉及兩個系統(tǒng)的疊加態(tài)稱為糾纏態(tài)，這項(xiàng)新研究表明，事件之間的時間順序可以顯示出疊加和糾纏——真正的量子特性，這對于檢驗(yàn)量子理論與替代理論之間的關(guān)系尤為重要。這一結(jié)果可以作為量子引力框架的理論實(shí)驗(yàn)依據(jù)，從而有助于進(jìn)一步構(gòu)建正確的量子引力理論。

這項(xiàng)研究也將與未來的量子技術(shù)有關(guān)，利用量子順序執(zhí)行操作的量子計(jì)算機(jī)，可能會打敗只使用固定序列操作的經(jīng)典計(jì)算機(jī)。量子時間順序的實(shí)際實(shí)現(xiàn)不需要極端條件（例如行星處于疊加狀態(tài)）而且可以在不使用重力的情況下進(jìn)行模擬。時間的量子特性發(fā)現(xiàn)，可以在即將到來的量子計(jì)算機(jī)時代帶來更好的量子器件。

博科園｜研究/來自：維也納大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-019-11579-x

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