時間朝著一個方向發展——前進。小男孩變老，但老人卻不會變年輕;茶杯會碎，但不會自發地重新組合。宇宙的這種殘酷而不可改變的性質，被稱為“時間之箭”，從根本上說，是熱力學第二定律的結果。熱力學第二定律規定，隨著時間的推移，系統總是趨向於變得更加無序。但最近，來自美國和俄羅斯的研究人員將箭頭稍稍彎曲了一下——至少對於亞原子粒子是這樣。
在週二(3月12日)發表在《科學報告》雜誌上的一項新研究中，研究人員使用由兩個量子粒子組成的非常小的量子計算機操縱時間之箭。
在亞原子尺度上，量子力學的奇異規則佔據主導地位，物理學家通過一個稱為波函數的數學結構來描述系統的狀態。這個函數是系統可能處於的所有可能狀態的表達式，甚至，對於一個粒子，它可能處於的所有可能位置，以及系統在任何給定時間處於這些狀態的概率。一般來說，隨著時間的推移，波函數會擴散;如果你等一個小時，粒子的可能位置可能比等5分鐘要遠。
撤銷波函數的傳播就像把溢出的牛奶放回瓶子裡。但這正是研究人員在這項新實驗中所完成的。
伊利諾斯州阿貢國家實驗室的物理學家、首席研究員瓦萊裡·維諾庫爾在接受《生活科學》雜誌採訪時說:“這種情況基本上不可能單獨發生。”“就像那句話，如果你給一隻猴子一臺打字機和很多時間，他可能會寫莎士比亞。”換句話說，這在技術上是可能的，但也不太可能。
科學家們是如何讓根本不可能的事情發生的?通過仔細控制實驗。
悉尼大學物理學教授斯蒂芬·巴特利特在接受《生活科學》雜誌採訪時說:“要想讓茶杯裡的碎片重新聚在一起，你真的需要很大的控制力。”巴特利特沒有參與這項研究。“你必須對系統有很大的控制，才能讓它做到這一點……而量子計算機可以讓我們對模擬的量子系統有很大的控制。”
研究人員使用量子計算機模擬單個粒子，其波函數像池塘裡的漣漪一樣隨著時間擴散。然後，他們在量子計算機中編寫了一種算法，可以逆轉波函數中每一個單獨成分的時間演化，本質上是將波紋拉回到產生波紋的粒子中。他們在沒有增加熵的情況下完成了這一壯舉，也沒有增加宇宙其他地方的無序，這似乎違背了時間之箭。
這是否意味著研究人員製造了一臺時間機器?他們違反物理定律了嗎?這兩個問題的答案都是否定的。熱力學第二定律說，宇宙的秩序一定會隨著時間的推移而下降，但在非常特殊的情況下，它不會永遠保持不變。這個實驗足夠小，足夠短，足夠控制宇宙既沒有獲得也沒有失去能量。
維諾庫說:“一旦池塘被創造出來，將波浪送回池塘是非常複雜和複雜的，但我們看到，這在量子世界中是可能的，在一個非常簡單的情況下。”換句話說，當他們使用量子計算機給他們的控制來撤銷時間的影響時，這是可能的。
運行程序後，系統85%的時間恢復到原來的狀態。然而，當引入第三個量子位元時，實驗成功的幾率只有50%。研究人員說，系統的複雜性可能在第三個量子位元上增加了太多，使得量子計算機更難維持對系統所有方面的控制。沒有這種控制，熵就無法被控制，因此時間反轉是不完美的。維諾庫在接受《生活科學》雜誌採訪時表示，儘管如此，他們的下一步目標是更大的系統和更大的量子計算機。
“這項研究對物理學的基礎做出了很好的貢獻，”新罕布什爾州達特茅斯學院的物理學教授詹姆斯·惠特菲爾德告訴《生活科學》雜誌。“它提醒我們，並非量子計算的所有應用程序都必須面向應用程序才能有趣。”
巴特利特說:“這正是我們建造量子計算機的原因。“這是一個證明，量子計算機可以讓我們模擬現實世界中不應該發生的事情。”
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