你還記得的去年突破性的“時間反轉”研究實驗嗎？在此基礎上，來自莫斯科物理與技術學院和阿貢國家實驗室的科學家，在《通信物理》期刊上發(fā)表了一項新的理論研究。

雖然之前的研究涉及的是預定義量子態(tài)，但這一次物理學家們已經(jīng)設計出了一種方法，可以對處于任意未知狀態(tài)的物體演化發(fā)展進行時間反轉（時間倒流或時間逆轉），有朝一日，一種改進的時間反轉方式，可以讓我們確認一臺量子計算機的正確功能。

這臺量子計算機的功能如此強大，否則需要一臺比它本身更大的計算機才能進行檢查，從而使目的落空。隨著時間的推移，混亂占據(jù)著主導地位。如果讓量子芯片自己決定的話，它的狀態(tài)有一種自然的演化方式：從有序到混亂。其他事情也是如此：例如隨著時間的推移，我們的身體會變老，人造結構也會惡化，如同留在餐桌上的一塊冰塊總是會融化。

但另一塊冰塊肯定不會突然出現(xiàn)在杯子里，盡管這可能取決于你喝了什么。通過日常經(jīng)驗，我們獲得了一種時間感，這是基于封閉系統(tǒng)中通常更有序的過去狀態(tài)和通常更混亂未來狀態(tài)之間的區(qū)別，就像一杯加了冰塊的水，在那里融化是一個單向的過程。物理學家將此稱為時間不對稱，或時間之箭。它源于熱力學第二定律正式表達的無序傾向。

算法魔法咒語書

阿貢國家實驗室的瓦萊里·維諾庫爾(Valerii Vinokur)說：我們的突破之一是：我們意識到量子計算機是真實物理世界的一部分，但允許對其時間演變進行前所未有的控制。去年，被許多記者譽為“時光機”的是物理學家的實驗，它短暫地扭轉了量子計算機的時間箭頭。也就是說，實驗是在計算機中進行的，最初處于有序狀態(tài)，在很短的一段時間內演變?yōu)楦蟮幕靵y。

在那之后，研究小組使用時間反轉算法來修改計算機的狀態(tài)，使其開始追溯之前一直在做的事情，有效地在反向回放中演化，直到它假定了最初的有序狀態(tài)。問題是，當時間反轉算法生效時，人們必須知道計算機的狀態(tài)，因為它不是通用的。即使這感覺像是魔術，但如果你允許這樣的類比，重新修改的程序是完全不同類型的精靈。比方說，你想讓帕臺農神廟恢復原來的輝煌。

老精靈會說：‘嗯，我可以做到，但你必須給我一些信息。我想要一份非常詳細的廢墟圖，就像現(xiàn)在這樣。所以你看，那個精靈沒有讓時間倒流的萬能咒語。相反，他有一本很大的咒語書，你們必須一起翻閱才能找到合適的。實際上，必須知道你正在反轉哪個狀態(tài)的問題在于需要記錄它。對于去年研究中使用由兩三個量子比特組成的小型計算機來說，這并不是一個真正的問題。

擴大量子規(guī)模

但擴大實驗的規(guī)模會非常迅速地增加內存需求：每增加一個量子位就會使所需的內存量翻一番。為了解決這個問題，研究人員想出了一個通用的算法，所以現(xiàn)在他們有了一個野獸般的精靈來排序，這個精靈足夠靈活，可以適應任何情況。無論量子系統(tǒng)以哪種特定的方式退化，都可以施展他的魔術，讓它回到“有序”的過去。誠然，他會要一噸又一噸的大理石，然后用地獄之火把它燒焦，但與精靈打交道從來都不是簡單的事情。

這里有一個思維實驗來指導你完成這個過程。想象一下，你拿了一堆水分子，用它們在一個完美密閉的盒子里制作了一片看起來非常獨特的雪花，而且只有你知道雪花的形狀。你把盒子放在室溫下一段時間，就會毀了里面的雪花。通過新的時間反轉算法和一些奇特的熱操作，研究人員表示：可以將你的雪花恢復到原來的形狀，這是如何做到這一點的？就像變魔術一樣，物理學家們一開始會用舞臺道具把事情變得有點復雜：

需要一個相同的盒子，里面有相同數(shù)量的水分子（記住成噸的大理石）。水可能是液態(tài)的，也可能是氣態(tài)的，這并不重要。但你只要保證這兩個盒子裝的東西一樣，數(shù)量相等就行了?，F(xiàn)在，請注意接下來的花招。一旦雙子箱（也稱為輔助系統(tǒng)）可用，該過程包括四個步驟：

第一步：加熱，把雙子盒放到非常高的溫度，讓它與一個非常熱的物體接觸，這種物體被稱為熱源

第二步：分離，斷開熱源的連接

第三步：操作，在雙子盒和原始盒之間運行所謂的非完全量子交換操作

第四步：重復，重復步驟1到步驟3，次數(shù)之多令人難以置信。

這一序列會導致原始大理石與毀壞的雪花處于時間反轉狀態(tài)，這意味著它將立即開始回溯最初的過去，直到它呈現(xiàn)初始狀態(tài)，凍結回與您想要形狀完全相同的形狀。發(fā)布在《通信物理》期刊上的論文提供了一個公式，說明必須重復上述循環(huán)多少次才能扭轉給定系統(tǒng)相對于時間的狀態(tài)。也就是說，以正確的方式推動它，以確保從現(xiàn)在的狀態(tài)向過去更早的狀態(tài)倒退演變。

復現(xiàn)時間反轉

簡而言之，這個數(shù)字是巨大的，它隨著系統(tǒng)的復雜性和它應該追溯到多遠的時間而迅速增長。盡管帕臺農神廟可能需要等待，但研究小組對一項可能的實驗持樂觀態(tài)度，該實驗將對一臺由少量量子比特組成的簡單計算機進行短暫時間反轉。例如，對于兩個量子比特，它將需要至少16個周期重復，而對于三個量子比特，它是64個，以此類推。在當今技術下，這樣的實驗是可行的，但問題是，公開可用的機器：

比如去年研究中使用的IBM量子計算機不支持升溫，這是這個周期的第一步。想想看，期望共享設施擁有這種特殊的功能，就像向當?shù)氐钠嚬蚕矸展?，索要一個跳躍的低空騎手一樣。因此，這一次的反轉實驗正在等待一個團隊，他們愿意為自己的量子計算機“拉皮條”，為它定制一個巨大的不良蓄熱池。雖然量子力學本身是出了名的違反直覺，但新的時間反轉算法有一個方面甚至讓物理學家都摸不著頭腦。

一般來說，一個系統(tǒng)越熱，它就越無組織。所以，如果你仔細想想，我們正在做的就是使用一種與徹底混亂相關的工具（熱水池）來帶來秩序，我們反復將輔助系統(tǒng)暴露在極高的溫度下，最終目的是觀察主系統(tǒng)冰冷有序的過去，但這是一個研究的科學家都還沒有想清楚的悖論。未來可能會使用通用時間反轉算法來驗證量子計算機是否正確運行，并且已經(jīng)實現(xiàn)了量子優(yōu)勢。

違反直覺及其悖論

問題是，一旦量子計算機比其他計算機強大得多，如果沒有類似的防錯設備，你如何確認它不容易出錯呢？例如一臺52量子比特機器運行先進的量子算法，它將輸出一個極其復雜的量子態(tài)。確保沒有錯誤的常規(guī)方法將需要對結束狀態(tài)的完整描述，然而，這將超出人類的能力范圍。這就是通用時間反轉算法的用武之地。如果你可以反向運行計算，而不關心你正在“倒帶”的結束狀態(tài)，那么就沒有必要描述它。

只要確保回到你開始的地方就行了，因此，當量子計算機開始制造科學發(fā)現(xiàn)時，時間反轉將派上用場，以證實這些是關于世界的有效結論，而不是史詩般的量子故障。

博科園｜研究/來自：莫斯科物理技術研究所

參考期刊《通信物理》

DOI: 10.1038/s42005-020-00396-0

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