量子计算机首次实现“时间倒流” | Scientific Reports

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时间的概念与热力学第二定律密切相关，研究人员利用量子计算机进行实验，探讨违反热力学第二定律的可能性。


图片来源：@tsarcyanide/MIPT Press Office
撰文 MOSCOW INSTITUTE OF PHYSICS AND TECHNOLOGY翻译 贾晓璇审校 刘悦晨编辑 戚译引
莫斯科物理科学与技术研究所（Moscow Institute of Physics and Technology，MIPT）的研究人员与美国、瑞士的同行合作，将量子计算机返回到了几分之一秒前的状态。同时，他们还计算了真空条件下星际空间中的电子自发地返回其最近过去（recent past）的概率。该研究于 3 月 13 日发表在《科学报告》（Scientific Reports）杂志上。
该论文的主要作者（lead author）、莫斯科物理科学与技术研究所下属的量子信息技术物理实验室负责人格奥登·利索维克（Gordey Lesovik）评论说：“这是一篇探讨违反热力学第二定律的可能性的论文。第二定律与‘时间之矢’（the arrow of time）的概念密切相关，即时间仅能从过去向未来单向流动。”
利索维克继续说道：“我们首先描述了一种所谓的局部第二类永动机。紧接着，在去年 12 月，我们发表了一篇论文，讨论了利用‘麦克斯韦妖’（物理学假想的能探测并控制单分子运动的机制）装置违反第二定律的问题。而我们新近发表的这篇论文则从第三个角度探讨了同样的问题：我们人为创造出了一个与热动力学的时间之矢方向相反的状态。”

是什么区分了未来与过去？
大多数物理定律不会区分未来和过去。举例来说，两个完全相同的台球碰撞、弹开，可以用一个等式来描述。如果用相机近距离记录下这个过程然后倒放，逆向过程仍然可以用之前的等式来描述。而且我们也不能判断出录像究竟是在顺序还是倒序播放，它们看上去都很合理。台球碰撞看起来好像违背了直观的时间感。
但是，试想一下，如果有人录下了开球的过程，在主球的撞击下，原先位于三角型球阵中的球向各个方向散开，那么就算不懂游戏规则的人也能分辨出哪个是真实场景、哪个是录像的倒放。倒放之所以看起来如此荒谬，是源自我们对热力学第二定律的直观理解：一个孤立的系统要么保持静止，要么朝着混沌而非有序的方向发展。
除了热力学第二定律，大多数物理定律都不会阻止如台球滚动回三角阵样、散入水中的茶色重新回到茶包中、或者火山反过来“喷发”等过程。我们都没有看见过上述情况发生，是因为它们假定一个孤立系统在没有任何外部干扰的情况下恢复到更有序的状态，这违反了第二定律。关于这一自然定律的所有细节虽然尚未得到充分的解释，但研究人员在理解其背后的基本原理方面取得了长足的进展。

自发的时间倒流
MIPT 的量子物理学家决定探究时间是否可以自发逆转，或者至少让单个粒子恢复到极短时间之前的状态。也就是说，他们没有让台球对撞，而是研究了真空星际空间中一个孤立的电子。

论文的共同作者、莫斯科物理科学与技术研究所、苏黎世联邦理工学院的（ETH Zurich）安德烈·列别捷夫（Andrey Lebedev）解释道：“假设我们开始观察时，电子是局域的，这就是说我们可以基本确定它在空间中的位置。虽然量子力学让我们无法获得它的绝对位置，但我们可以勾勒出电子存在的一小片区域。”
物理学家解释说，电子状态的演化受薛定谔方程的支配。虽然方程不区分未来和过去，但电子存在的空间区域会很快扩散。也就是说，系统趋向于变得更加混乱，电子位置的不确定性变大。这有点类似于由于热力学第二定律，大型系统（如台球桌）中的混乱度增加。
论文的共同作者、美国阿贡国家实验室（the Argonne National Laboratory, U.S.）的瓦莱里·维诺科（Valerii Vinokur）补充说：“其实薛定谔方程是可逆的。从数学上讲，这就意味着在一种叫做复共轭（complex conjugation）的变换下，这个方程也能描述一个‘散开’电子在同一时间段内重新局域化到小空间中的过程。”虽然自然界中没有观察到这种现象，但理论上也可能发生，因为宇宙中无处不在、随机波动的宇宙微波背景辐射。
该团队开始计算观察到一个“散开”的电子自发地“收回”到几分之一秒前小局域空间的概率，事实证明，即使一个人花费整个宇宙的寿命——137 亿年那么长的时间进行观测，每秒观测 100 亿个局域电子，也只能观测到一次粒子状态的逆向演化。即便如此，粒子最多也只能返回到百亿分之一秒前的过去。
至于大规模的现象，比如台球对撞、火山喷发等等，时间尺度显然更大，涉及到电子及其他粒子的数量更是数不清。这就解释了为什么我们看不到人类返老还童，或者墨迹从纸上分离出来。

编写程序，逆转时间
接下来，研究人员尝试用一个四阶段的实验逆转时间。这次他们观察的不是电子，而是由两种（后面还会观察三种）基本元素组成的量子计算机状态，这种基本元素就是超导量子比特（superconducting qubits）。
第一阶段：有序化。将每个量子比特初始化到基态，记为0。这种高度有序的组态对应于局限在小空间内的电子，或者开球之前的台球三角阵。
第二阶段：退化。系统失去了秩序。就像电子散开到在越来越大的空间中，或者台球桌上的三角阵被打破一样，量子比特的状态变成由0和1组成的、更复杂的变化模式。在量子计算机上短暂运行演化程序就能实现这点。其实由于与环境的相互作用，类似的退化也能自行发生。但程序控制下的自发演化能够实现实验的最后阶段。
第三阶段：逆转时间。一个特殊的程序能够修改量子计算机的状态，使其“逆向”演化，从混沌变为有序。这一操作就像是随机微波背景涨落影响电子的状态，但这次是有意诱导的。如果接着拿台球举例，那么一个有点牵强的类比，就是有人按算好的方式对着桌子踢了一脚。
第四阶段：重建。再次启动第二阶段的演化程序。如果之前的“一脚”已经成功传递，那么启动程序不会让系统更加混乱，而会将量子比特的状态倒回到过去，就像散开的电子重新被局限到小空间中，或者台球像倒放录像一样沿开球的轨迹滚回去，组成一个三角阵。
研究人员发现，85% 的实验中，双量子比特量子计算机确实恢复到了初始状态。当涉及三个量子比特时，误差增大，成功率约有50%。作者表示，实验误差是由实际量子计算机的缺陷造成的。如果能设计更复杂的设备，预计误差率会下降。
有趣的是，时间逆转算法本身可能有助于提高量子计算机的精确性。列别捷夫解释说 ：“我们的算法更新后，可以用于测试为量子计算机编写的程序，消除噪声和误差。”
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论文信息
【标题】Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer【作者】G. B. Lesovik, I. A. Sadovskyy, M. V. Suslov, A. V. Lebedev & V. M. Vinokur【时间】2019 年 3 月 13 日【期刊】Scientific Reports【链接】https://www.nature.com/articles/s41598-019-40765-6【DOI】 10.1038/s41598-019-40765-6【摘要】Uncovering the origin of the “arrow of time” remains a fundamental scientific challenge. Within the framework of statistical physics, this problem was inextricably associated with the Second Law of Thermodynamics, which declares that entropy growth proceeds from the system’s entanglement with the environment. This poses a question of whether it is possible to develop protocols for circumventing the irreversibility of time and if so to practically implement these protocols. Here we show that, while in nature the complex conjugation needed for time reversal may appear exponentially improbable, one can design a quantum algorithm that includes complex conjugation and thus reverses a given quantum state. Using this algorithm on an IBM quantum computer enables us to experimentally demonstrate a backward time dynamics for an electron scattered on a two-level impurity.

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