量子的世界，不允許“蝴蝶效應(yīng)”丨時(shí)間旅行

2020-08-04 11:54

來源：澎湃新聞·澎湃號(hào)·湃客

聽全文

原創(chuàng) Los Alamos 世界頂尖科學(xué)家論壇來自專輯星辰大海

時(shí)間旅行是科幻小說的熱門主題。一旦回到過去，初始條件的改變是否會(huì)產(chǎn)生“蝴蝶效應(yīng)”，以致改變整個(gè)歷史走向？

蝴蝶效應(yīng)是混沌理論的精髓，它提醒了世界運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)本質(zhì)：我們的世界并不遵循可預(yù)測(cè)的模式。圖｜exploring your mind

科幻作家對(duì)此提出了各種設(shè)想，科學(xué)家則在想辦法進(jìn)行驗(yàn)證。近期，美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家用量子計(jì)算機(jī)模擬了“時(shí)間旅行”，發(fā)現(xiàn)量子有自我修復(fù)的能力，蝴蝶效應(yīng)在量子層面不成立。

在研究中，通過量子計(jì)算機(jī)的模擬，信息量子位，也就是量子比特進(jìn)行了“時(shí)間旅行”，回到過去。其中的一個(gè)量子比特會(huì)被破壞。然而，令人驚訝的是，當(dāng)所有的量子比特回到“現(xiàn)在”，一切都恢復(fù)了原樣，仿佛它們具備自愈的能力。

論文作者之一、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家尼科萊·辛尼森（Nikolai Sinitsyn）說：“在量子計(jì)算機(jī)上，模擬時(shí)間的反方向演化、或者模擬一個(gè)回到過去的旅程不成問題。因此，我們可以回到過去，弄些小損傷，然后返回現(xiàn)在，看看復(fù)雜的量子世界里發(fā)生了什么。我們發(fā)現(xiàn)我們的世界仍然好好的，這意味著量子力學(xué)中沒有蝴蝶效應(yīng)?！?/p>

科幻大師雷·布拉德伯里（Ray Bradbury）在1952年的科幻小說《雷霆萬鈞》（A Sound of Thunder）中，講述了一個(gè)獵手的故事：他通過時(shí)間旅行回到遙遠(yuǎn)的過去，在那里他踩到了一只蝴蝶；回到現(xiàn)在之后，他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)全然不同的世界。由此出現(xiàn)了“蝴蝶效應(yīng)”一詞，它指一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，對(duì)其初始條件的高度敏感性。

這種系統(tǒng)被稱為“混沌系統(tǒng)”?；煦纾╟haos）是指確定性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)因?qū)Τ踔得舾卸憩F(xiàn)出的不可預(yù)測(cè)的、類似隨機(jī)性的運(yùn)動(dòng)。在這樣的系統(tǒng)中，早期的細(xì)微因素可能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的演化產(chǎn)生強(qiáng)烈影響。

《雷霆萬鈞》。作者：雷·布拉德伯里。圖｜Slider Base

不過，論文作者嚴(yán)斌（音譯，英文名Bin Yan）和辛尼森發(fā)現(xiàn)，在量子系統(tǒng)中模擬回到過去時(shí)的小損傷，演化到“現(xiàn)在”也只會(huì)導(dǎo)致微不足道的局部損傷。

這種效應(yīng)可以應(yīng)用于信息隱藏硬件和量子信息器件測(cè)試中，計(jì)算機(jī)可以通過將初始狀態(tài)轉(zhuǎn)換為強(qiáng)糾纏態(tài)來隱藏信息。

“我們發(fā)現(xiàn)，即使入侵者對(duì)強(qiáng)糾纏態(tài)進(jìn)行破壞性測(cè)量，我們?nèi)匀豢梢院苋菀椎鼗謴?fù)有用的信息，因?yàn)檫@種損傷不會(huì)被解碼過程放大，這就證明了關(guān)于創(chuàng)建量子硬件來隱藏信息的討論是合理的?！眹?yán)斌說。嚴(yán)斌目前在洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的非線性研究中心從事博士后研究。

這一新發(fā)現(xiàn)還可以用來測(cè)試量子處理器是否真的在量子原理下工作。由于新發(fā)現(xiàn)的非蝴蝶效應(yīng)是純量子的，如果一個(gè)處理器運(yùn)行嚴(yán)斌和辛尼森的系統(tǒng)，并顯示出這種效應(yīng)，那么它一定是一個(gè)量子處理器。

量子原理將改變下一代的互聯(lián)網(wǎng)安全。圖｜the Security Ledger

為了測(cè)試量子系統(tǒng)中的蝴蝶效應(yīng)，嚴(yán)斌和辛尼森利用IBM-Q量子處理器，展示了一個(gè)電路如何通過應(yīng)用量子門來演化具有因果關(guān)系的復(fù)雜系統(tǒng)。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，愛麗絲在當(dāng)前時(shí)刻準(zhǔn)備了一個(gè)量子比特，并在量子計(jì)算機(jī)中讓它回到過去。而在“過去”，鮑勃測(cè)量了愛麗絲的量子位。這種行為擾亂了量子比特，破壞了它與世界其他地方的所有量子關(guān)聯(lián)。接下來，系統(tǒng)運(yùn)行到當(dāng)前時(shí)間。（量子通訊領(lǐng)域，愛麗絲和鮑勃通常用來指代信息的發(fā)送者和接收者。編者注）

愛麗絲和鮑勃。圖｜Los Alamos National Laboratory

根據(jù)布拉德伯里的理論，在復(fù)雜的演化過程中，鮑勃對(duì)量子狀態(tài)和量子關(guān)聯(lián)的微小損害應(yīng)該很快被放大。因此，愛麗絲最后應(yīng)該無法恢復(fù)她的信息。

但事實(shí)并非如此。嚴(yán)斌和辛尼森發(fā)現(xiàn)，在“過去”對(duì)量子關(guān)聯(lián)的信息做出細(xì)微的干預(yù)，不會(huì)破壞“現(xiàn)在”的信息。他們的實(shí)驗(yàn)證明，盡管受到鮑勃的干擾，信息還是返回到愛麗絲的量子位而沒有受到太大的損害。與直覺相反的是，回到更遠(yuǎn)的“過去”，或者放到更大的“世界”，返回給愛麗絲的最終信息收到的破壞反而更小。

“我們發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)中，混沌的概念必須有不同的理解?！毙聊嵘@樣說。

*本文來源：洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。