科学|在突破性的“时间反转”基础上，可以实现：让任意物体时间倒流！
你还记得的去年突破性的“时间反转”研究实验吗？在此基础上 ， 来自莫斯科物理与技术学院和阿贡国家实验室的科学家 ， 在《通信物理》期刊上发表了一项新的理论研究 。 虽然之前的研究涉及的是预定义量子态 ， 但这一次物理学家们已经设计出了一种方法 ， 可以对处于任意未知状态的物体演化发展进行时间反转（时间倒流或时间逆转） ， 有朝一日 ， 一种改进的时间反转方式 ， 可以让我们确认一台量子计算机的正确功能 。
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这台量子计算机的功能如此强大 ， 否则需要一台比它本身更大的计算机才能进行检查 ， 从而使目的落空 。 随着时间的推移 ， 混乱占据着主导地位 。 如果让量子芯片自己决定的话 ， 它的状态有一种自然的演化方式：从有序到混乱 。 其他事情也是如此：例如随着时间的推移 ， 我们的身体会变老 ， 人造结构也会恶化 ， 如同留在餐桌上的一块冰块总是会融化 。
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但另一块冰块肯定不会突然出现在杯子里 ， 尽管这可能取决于你喝了什么 。 通过日常经验 ， 我们获得了一种时间感 ， 这是基于封闭系统中通常更有序的过去状态和通常更混乱未来状态之间的区别 ， 就像一杯加了冰块的水 ， 在那里融化是一个单向的过程 。 物理学家将此称为时间不对称 ， 或时间之箭 。 它源于热力学第二定律正式表达的无序倾向 。
算法魔法咒语书
阿贡国家实验室的瓦莱里·维诺库尔(Valerii Vinokur)说：我们的突破之一是：我们意识到量子计算机是真实物理世界的一部分 ， 但允许对其时间演变进行前所未有的控制 。 去年 ， 被许多采访人员誉为“时光机”的是物理学家的实验 ， 它短暂地扭转了量子计算机的时间箭头 。 也就是说 ， 实验是在计算机中进行的 ， 最初处于有序状态 ， 在很短的一段时间内演变为更大的混乱 。
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在那之后 ， 研究小组使用时间反转算法来修改计算机的状态 ， 使其开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状态 。 问题是 ， 当时间反转算法生效时 ， 人们必须知道计算机的状态 ， 因为它不是通用的 。 即使这感觉像是魔术 ， 但如果你允许这样的类比 ， 重新修改的程序是完全不同类型的精灵 。 比方说 ， 你想让帕台农神庙恢复原来的辉煌 。
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老精灵会说：‘嗯 ， 我可以做到 ， 但你必须给我一些信息 。 我想要一份非常详细的废墟图 ， 就像现在这样 。 所以你看 ， 那个精灵没有让时间倒流的万能咒语 。 相反 ， 他有一本很大的咒语书 ， 你们必须一起翻阅才能找到合适的 。 实际上 ， 必须知道你正在反转哪个状态的问题在于需要记录它 。 对于去年研究中使用由两三个量子比特组成的小型计算机来说 ， 这并不是一个真正的问题 。
扩大量子规模
但扩大实验的规模会非常迅速地增加内存需求：每增加一个量子位就会使所需的内存量翻一番 。 为了解决这个问题 ， 研究人员想出了一个通用的算法 ， 所以现在他们有了一个野兽般的精灵来排序 ， 这个精灵足够灵活 ， 可以适应任何情况 。 无论量子系统以哪种特定的方式退化 ， 都可以施展他的魔术 ， 让它回到“有序”的过去 。 诚然 ， 他会要一吨又一吨的大理石 ， 然后用地狱之火把它烧焦 ， 但与精灵打交道从来都不是简单的事情 。
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这里有一个思维实验来指导你完成这个过程 。 想象一下 ， 你拿了一堆水分子 ， 用它们在一个完美密闭的盒子里制作了一片看起来非常独特的雪花 ， 而且只有你知道雪花的形状 。 你把盒子放在室温下一段时间 ， 就会毁了里面的雪花 。 通过新的时间反转算法和一些奇特的热操作 ， 研究人员表示：可以将你的雪花恢复到原来的形状 ， 这是如何做到这一点的？就像变魔术一样 ， 物理学家们一开始会用舞台道具把事情变得有点复杂：
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需要一个相同的盒子 ， 里面有相同数量的水分子（记住成吨的大理石） 。 水可能是液态的 ， 也可能是气态的 ， 这并不重要 。 但你只要保证这两个盒子装的东西一样 ， 数量相等就行了 。 现在 ， 请注意接下来的花招 。 一旦双子箱（也称为辅助系统）可用 ，
该过程包括四个步骤：
第一步：加热 ， 把双子盒放到非常高的温度 ， 让它与一个非常热的物体接触 ， 这种物体被称为热源
第二步：分离 ， 断开热源的连接
第三步：操作 ， 在双子盒和原始盒之间运行所谓的非完全量子交换操作
第四步：重复 ， 重复步骤1到步骤3 ， 次数之多令人难以置信 。
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这一序列会导致原始大理石与毁坏的雪花处于时间反转状态 ， 这意味着它将立即开始回溯最初的过去 ， 直到它呈现初始状态 ， 冻结回与您想要形状完全相同的形状 。 发布在《通信物理》期刊上的论文提供了一个公式 ， 说明必须重复上述循环多少次才能扭转给定系统相对于时间的状态 。 也就是说 ， 以正确的方式推动它 ， 以确保从现在的状态向过去更早的状态倒退演变 。
复现时间反转
简而言之 ， 这个数字是巨大的 ， 它随着系统的复杂性和它应该追溯到多远的时间而迅速增长 。 尽管帕台农神庙可能需要等待 ， 但研究小组对一项可能的实验持乐观态度 ， 该实验将对一台由少量量子比特组成的简单计算机进行短暂时间反转 。 例如 ， 对于两个量子比特 ， 它将需要至少16个周期重复 ， 而对于三个量子比特 ， 它是64个 ， 以此类推 。 在当今技术下 ， 这样的实验是可行的 ， 但问题是 ， 公开可用的机器：
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比如去年研究中使用的IBM量子计算机不支持升温 ， 这是这个周期的第一步 。 想想看 ， 期望共享设施拥有这种特殊的功能 ， 就像向当地的汽车共享服务公司 ， 索要一个跳跃的低空骑手一样 。 因此 ， 这一次的反转实验正在等待一个团队 ， 他们愿意为自己的量子计算机“拉皮条” ， 为它定制一个巨大的不良蓄热池 。 虽然量子力学本身是出了名的违反直觉 ， 但新的时间反转算法有一个方面甚至让物理学家都摸不着头脑 。
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一般来说 ， 一个系统越热 ， 它就越无组织 。 所以 ， 如果你仔细想想 ， 我们正在做的就是使用一种与彻底混乱相关的工具（热水池）来带来秩序 ， 我们反复将辅助系统暴露在极高的温度下 ， 最终目的是观察主系统冰冷有序的过去 ， 但这是一个研究的科学家都还没有想清楚的悖论 。 未来可能会使用通用时间反转算法来验证量子计算机是否正确运行 ， 并且已经实现了量子优势 。
违反直觉及其悖论
问题是 ， 一旦量子计算机比其他计算机强大得多 ， 如果没有类似的防错设备 ， 你如何确认它不容易出错呢？例如一台52量子比特机器运行先进的量子算法 ， 它将输出一个极其复杂的量子态 。 确保没有错误的常规方法将需要对结束状态的完整描述 ， 然而 ， 这将超出人类的能力范围 。 这就是通用时间反转算法的用武之地 。 如果你可以反向运行计算 ， 而不关心你正在“倒带”的结束状态 ， 那么就没有必要描述它 。
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只要确保回到你开始的地方就行了 ， 因此 ， 当量子计算机开始制造科学发现时 ， 时间反转将派上用场 ， 以证实这些是关于世界的有效结论 ， 而不是史诗般的量子故障 。
博科园｜研究/来自：莫斯科物理技术研究所
参考期刊《通信物理》
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