量子计算机真让“时光倒流”了吗

实验中研究人员使用量子计算机让“时间倒流”,正如桌子上散落的台球重回其最初排列形状。根据热力学第二定律,时间是单向的,不能倒流。近期,学术杂志《科学报告》(ScientificReports)上的一篇论文引发了全世界舆论圈的轰动。在论文中,作者声称进行了一项实验,为“研究时间逆转和时间倒流”开辟了一系列研究方向。如果你已经被这则消息震惊到了,开始幻想构造时间机器的可能性,请暂且收回你的幻想,科学家还没那么神通广大,这则论文说的不是这个意思——只不过,该论文揭示了量子计算机未来应用的一种可能性确实值得期待。

本报记者王昱

重大突破?只是噱头?

英国《独立报》近日报道,由美国、瑞士和俄罗斯科学家组成的一个国际科研团队,在《科学报告》杂志撰文称,他们首次借助一台量子计算机,逆转了“时间之箭”的方向。《独立报》称,这一违背常识的突破性研究,可能会改变我们对统辖宇宙的机制和过程的理解,也有望促进量子计算机的发展。

该团队首席研究员、俄罗斯莫斯科物理科学与技术研究所(MIPT)量子信息物理学实验室负责人戈尔代·勒斯维吉博士说:“我们人为地创建了一种与热力学时间箭头反方向演进的状态。”

他们使用的是一台由电子“量子比特”(qubits)构成的量子计算机。量子比特是量子计算机的基本信息单位,由“1”“0”或这两者的混合“叠加”来描述。

在实验中,他们启动了一个“进化程序”,该程序使量子比特进入一种逐渐复杂的1和0不断变化的状态。在此过程中,量子比特失去了秩序,就像摆好的台球被撞击,散落各处一样。但随后,另一个程序修改了量子计算机的状态,使其“向后”演进,从混乱变为有序,这意味着量子比特重回初始状态。

研究人员发现,当使用两个量子比特时,“时间逆转”的成功率为85%；而当使用3个量子比特时,成功率下跌到50%。他们认为,随着所用设备的复杂程度不断提高,错误率有望下降。

他们同时表示,这项实验也有望促进量子计算机的开发。勒斯维吉说:“我们的算法可以更新,并用来测试为量子计算机编写的程序,消除噪音和错误。”

逆转时间首次在量子计算机上实现?这听上去的确够惊人。不过,该论文发表后,很快引来了一片质疑声,不少业内专家指称该研究并没看起来那样神乎其神,甚至有刻意制造噱头的感觉。美国得克萨斯州大学奥斯汀分校量子信息中心主任斯科特·亚伦森称:“如果你在计算机上模拟一个时间可逆的过程,那么通过简单地改变模拟的方向,你就可以‘逆转时间的方向’。在快速浏览这篇论文之后,我承认,如果只是在IBM的量子计算机上进行模拟的话,我实在不明白有什么更加深远的意义。”

其他量子计算专家也对此表示赞同。一位不愿透露姓名的专家说:“我不知道这有多大用处……这并不意味着他们制造出了某种时间机器。他们显然没有违背热力学定律或其他物理定律。”他还补充道,这种方式将给量子计算带来不好的影响。

因此,可以说我们现在面临了一个有些奇怪的场景:面对一个科研成果,研究者自称他们已经成功在量子计算机中逆转了时间,而质疑者却说这根本“没什么深远意义”,他们二者到底孰是孰非?

严格说来,他们其实都对,又都不对。二者孰是孰非,取决于你到底怎样定义“时间”。

计算中的“时光机器”

不知道你在现实生活中是否会有这样的经验:周末打扫完屋子,一切十分整洁,但随着时间的推移,屋子一定会不可避免越来越乱。想要让屋子重新回归整洁,就必须重新投入精力再打扫一遍。如果从不加以整理,屋子的混乱程度基本就可以标的你在里面住了多久。

屋子为什么会越来越乱,而不会自己变得越来越整齐呢?这个看似无厘头的问题背后其实蕴含着一个深刻的物理学定律:热力学第二定律(或称熵增定律),该定律的一种简易表述可以是:在自然过程中,一个孤立系统在不被注入新的能量的前提下,其总混乱度(即“熵”)不会减小。

如果我们把整个宇宙看做一个孤立的系统,那么就会发现,宇宙的总混乱度是在不可逆地不断增加的,这个过程就是所谓的熵增。而在物理学上,熵增等同于时间的流逝,或者说,时间之所以是单向的,而不能倒流,恰恰是因为热力学第二定律所陈述的宇宙这个孤立系统的熵是在不断增大的。终有一天,所有的花都将凋谢,所有的生命都将死亡,所有的恒星都会熄灭、宇宙中各处的温度会达到一个平衡,不再有任何能量的流动,形成所谓的“宇宙热寂”,而那一刻也将是时间的尽头。

所以,时间为何不能倒流的最正确回答其实是:热力学第二定律不可违反。

而从这个角度来说,如果我们能(哪怕仅仅是在一个十分微小的系统内)将熵增的趋势扭转过来,从某种意义上说,确实就做到了“时光倒流”。这正是此次量子计算机做到的事情:通过量子计算机强大的运算能力,科学家们可以在获知一个孤立系统(比如一桌凌乱的台球)较为混乱(高熵)的终末状态的基础上,反推出该孤立系统原先较为整齐(低熵)的初始状态。这个过程很像是把一部影片倒放,只不过量子计算机的伟大之处,是在只拿到了胶片最后一格的情况下,“反推”出了影片第一个镜头该是什么样子。

明晰了这一点,我们同样也能理解那些指称该论文只是个“噱头”的同行们确实有其道理。因为这个“逆熵增”的行为其实只是在量子计算机内部通过计算完成的,在现实中,量子计算机作为一个系统并没有打破热力学第二定律,而且还是要从外部输入能源。所以以计算机整体而论,它并没有“让时光倒流”,只不过是完成了一项稍微复杂一些的演算而已。

事实上,最形象的比喻是,此次科学家所做的突破,更像是侦探小说中福尔摩斯所做的工作:他勘察了罪案现场,通过现场痕迹反推出凶案发生时的样子。那么这样的计算到底算不算让时光倒流呢?这确实是一件很见仁见智的事情。

不可否认的是,此次“量子计算机逆转时光”的突破,确实为正在发展的量子计算机技术打开了一扇新的大门,未来的量子计算机注定不能成为时光机回溯时间,却能够从一个孤立系统的当下状态精确的“推理”出该系统在过去某个时间点应该是某种状态。让已经凋谢的花在计算中重新绽放,让已经衰老的红颜在计算中重放光芒,这听上去其实同样浪漫而伟大,不是吗?

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