莫斯科物理與技術(shù)研究所研究人員與來自美國(guó)和瑞士的同事合作，將量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)恢復(fù)到過去的幾分之一秒。他們還計(jì)算了真空星際空間中的電子自發(fā)地回到它最近過去的概率，這項(xiàng)研究發(fā)表在《科學(xué)報(bào)告》上。這是一系列關(guān)于違反熱力學(xué)第二定律可能性的論文之一。

這一定律與時(shí)間之箭的概念密切相關(guān)，時(shí)間之箭假定時(shí)間從過去到未來是單向的。研究首先描述了一種所謂的第二類局部永動(dòng)機(jī)。去年12月發(fā)表了一篇論文，討論通過一種叫做麥克斯韋妖的裝置違反第二定律問題。

是什么讓未來不同于過去？

博科園-科學(xué)科普：最近發(fā)表的一篇研究論文從第三個(gè)角度探討了同樣的問題：我們?nèi)藶榈貏?chuàng)造了一種狀態(tài)，它朝著與熱力學(xué)時(shí)間箭頭相反的方向發(fā)展。大多數(shù)物理定律對(duì)未來和過去沒有區(qū)別。例如，讓一個(gè)方程描述兩個(gè)相同臺(tái)球的碰撞和反彈。如果用攝像機(jī)記錄下該事件的近景，然后反過來播放，它仍然可以用相同的方程表示。此外，如果錄音被篡改，就不可能從錄音中分辨出來。兩種說法看起來都有道理。臺(tái)球似乎違背了時(shí)間的直覺。然而，想象一下，記錄一個(gè)主球打破“臺(tái)球金字塔”，臺(tái)球分散在各個(gè)方向。在這種情況下，很容易區(qū)分真實(shí)場(chǎng)景和反向回放。

后者之所以看起來如此荒謬，是因?yàn)槲覀儗?duì)熱力學(xué)第二定律的直覺理解：一個(gè)孤立的系統(tǒng)要么保持靜止，要么朝著混沌而非有序的狀態(tài)發(fā)展。大多數(shù)其他物理定律都不能阻止?jié)L動(dòng)的臺(tái)球聚集成金字塔，注入的茶不能流回茶袋，火山也不能反向“噴發(fā)”。但這些現(xiàn)象沒有被觀察到，因?yàn)樗鼈冃枰粋€(gè)孤立的系統(tǒng)在沒有任何外部干預(yù)情況下假定一個(gè)更有序的狀態(tài)，這違反了第二定律。這一定律的性質(zhì)尚未得到充分的解釋，但研究人員在理解其背后的基本原理方面取得了很大進(jìn)展。

自發(fā)的時(shí)間逆轉(zhuǎn)

來自MIPT量子物理學(xué)家決定檢查時(shí)間是否可以自發(fā)地逆轉(zhuǎn)，至少對(duì)于單個(gè)粒子和一小部分秒。也就是說，他們沒有對(duì)撞臺(tái)球，而是研究了星際空間中一個(gè)孤立的電子。假設(shè)我們開始觀察電子時(shí)，它是局域的。這意味著我們非常確定它在空間中的位置。量子力學(xué)定律使我們無法絕對(duì)精確地了解它，但我們可以勾勒出一個(gè)電子定位的小區(qū)域。研究的物理學(xué)家解釋說：電子態(tài)的演化受薛定諤方程控制。雖然它對(duì)未來和過去沒有區(qū)別，但含有電子的空間區(qū)域?qū)⒑芸斓財(cái)U(kuò)展開來。

也就是說，系統(tǒng)趨向于變得更加混亂。電子位置的不確定性在增加。由于熱力學(xué)第二定律，這類似于大型系統(tǒng)(如臺(tái)球桌)中無序度的增加。來自美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的論文合著者瓦萊里·維諾庫(kù)說：然而，薛定諤方程是可逆的，從數(shù)學(xué)上講，這意味著在一種稱為復(fù)共軛的變換下，這個(gè)方程將描述一個(gè)‘被污染的’電子在同一時(shí)間內(nèi)重新定位到一個(gè)小空間區(qū)域。雖然這種現(xiàn)象在自然界中沒有被觀察到，但理論上它可能是由于宇宙微波背景的隨機(jī)波動(dòng)而發(fā)生。

研究小組開始計(jì)算觀察到一個(gè)電子在不到一秒的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)定位到最近位置的概率。結(jié)果表明，即使在整個(gè)宇宙的生命周期中（138億年）每秒鐘觀察到100億個(gè)新定位的電子，粒子狀態(tài)的反向演化也只會(huì)發(fā)生一次。即使在那時(shí)，電子進(jìn)入過去的時(shí)間也不會(huì)超過十億分之一秒。涉及臺(tái)球和火山的大規(guī)?，F(xiàn)象顯然以更大時(shí)間尺度展開，并以數(shù)量驚人的電子和其他粒子為特征。這就解釋了為什么我們沒有觀察到老年人變年輕或墨跡從紙上分離出來。

根據(jù)需要逆轉(zhuǎn)時(shí)間

研究人員試圖在一個(gè)四階段實(shí)驗(yàn)中逆轉(zhuǎn)時(shí)間，他們觀察的不是電子，而是由兩種后來被稱為超導(dǎo)量子位元的基本元素構(gòu)成的量子計(jì)算機(jī)狀態(tài)。

階段1：秩序。每個(gè)量子位元在基態(tài)初始化，表示為零。這種高度有序的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于一個(gè)小區(qū)域內(nèi)的電子，或者是一個(gè)臺(tái)球架。

階段2：演進(jìn)。秩序混亂了，就像電子被涂抹在越來越大的空間區(qū)域上，或者架子被打碎在臺(tái)球桌上，量子位元的狀態(tài)變成了一個(gè)由0和1組成的越來越復(fù)雜變化模式。這是通過在量子計(jì)算機(jī)上簡(jiǎn)單地啟動(dòng)進(jìn)化程序來實(shí)現(xiàn)的。實(shí)際上，由于與環(huán)境的相互作用，類似的逆轉(zhuǎn)也會(huì)自行發(fā)生。然而，自主發(fā)展受控程序?qū)⑹箤?shí)驗(yàn)的最后階段成為可能。

階段3：時(shí)間逆轉(zhuǎn)。一個(gè)特殊程序可以改變量子計(jì)算機(jī)的狀態(tài)，這樣時(shí)間就可以“向后”逆轉(zhuǎn)，從混沌走向有序。這種操作類似于電子情況下的隨機(jī)微波背景漲落，但這一次，是被故意誘導(dǎo)的。對(duì)于臺(tái)球的例子，一個(gè)明顯牽強(qiáng)附會(huì)的類比是，有人給了桌子一個(gè)經(jīng)過完美計(jì)算的踢腳。

階段4：再生。第二階段的演進(jìn)計(jì)劃再次啟動(dòng)。如果“踢”成功了，程序不會(huì)導(dǎo)致更多的混亂，而是將量子位元的狀態(tài)倒回過去，就像弄臟的電子會(huì)被定位，或者臺(tái)球會(huì)在反向回放中沿著軌跡折回，最終形成一個(gè)三角形。

研究人員發(fā)現(xiàn)，在85%的情況下，雙量子位量子計(jì)算機(jī)會(huì)回到初始狀態(tài)。當(dāng)涉及到三個(gè)量子位元時(shí)，會(huì)發(fā)生更多的錯(cuò)誤，導(dǎo)致大約50%的成功率。研究作者表示：這些誤差是由于實(shí)際量子計(jì)算機(jī)的缺陷造成。隨著更復(fù)雜設(shè)備的設(shè)計(jì)，錯(cuò)誤率預(yù)計(jì)會(huì)下降。有趣的是，時(shí)間反轉(zhuǎn)倒流算法本身可以證明對(duì)量子計(jì)算機(jī)更精確有用。列別捷夫解釋說：我們的算法可以更新，并用于測(cè)試為量子計(jì)算機(jī)編寫的程序，消除噪音和錯(cuò)誤。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?莫斯科物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

參考期刊文獻(xiàn):《Scientific Reports》

DOI: 10.1038/s41598-019-40765-6

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