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新(xin)智(zhi)元(yuan)報(bao)道(dao)

編(bian)輯(ji)：David

【新智元導(dao)讀(du)】與(yu)那(na)些(xie)时空(kong)穿(chuan)梭(suo)的科(ke)幻(huan)電(dian)影(ying)不同(tong)，在(zai)量子領(ling)域(yu)，物(wu)理(li)學(xue)家(jia)們(men)已经实現(xian)了双向的「粒(li)子时光机」。

如(ru)果(guo)有人告(gao)訴(su)妳(ni)，现在有壹(yi)臺(tai)时光机，還(hai)是(shi)可(ke)以(yi)双向傳(chuan)送(song)的那種(zhong)，能夠(gou)翻转過(guo)去(qu)和(he)未(wei)來(lai)，你信(xin)不信？

实際(ji)上(shang)，這(zhe)個(ge)「时光机」早(zao)就(jiu)在科学家的实驗(yan)室(shi)中(zhong)研(yan)究(jiu)了不少(shao)日(ri)子了，只(zhi)不过它(ta)的乘(cheng)客(ke)並(bing)不是人類(lei)，而(er)是粒子。

更(geng)確(que)切(qie)地(di)說(shuo)，是光子。就像(xiang)人类變(bian)成(cheng)狼(lang)人时，狼人也(ye)变成了人类。在精(jing)心(xin)設(she)計(ji)的电路(lu)中，这些光子的行(xing)為(wei)就像时间在向前(qian)和向後(hou)的量子組(zu)合(he)中流(liu)動(dong)一樣(yang)。

蘇(su)格(ge)蘭(lan)格拉(la)斯(si)哥(ge)大(da)学的量子物理学家索(suo)尼(ni)婭(ya)·弗(fu)兰克(ke)-阿(e)諾(nuo)德(de)（Sonja Franke-Arnold）说：「这是有史(shi)以来第(di)一次(ci)，我(wo)们有了一台类似(si)双向时间旅(lv)行的机器(qi)。

遺(yi)憾(han)的是，對(dui)於(yu)科幻小(xiao)说迷(mi)来说，这些设備(bei)与1982年(nian)的DeLorean沒(mei)有任(ren)何(he)共(gong)同之(zhi)處(chu)。在由(you)中國(guo)和奧(ao)地利(li)的兩(liang)个獨(du)立(li)團(tuan)隊(dui)進(jin)行的整(zheng)个实验过程(cheng)中，实验室的时鐘(zhong)繼(ji)續(xu)穩(wen)定(ding)地向前跳(tiao)动。

只有飛(fei)过电路的光子经歷(li)了时间上的詭(gui)異(yi)变化(hua)。而且(qie)，研究人員(yuan)还在爭(zheng)論(lun)这个「时间之箭(jian)的翻转」是真(zhen)的还是模(mo)擬(ni)的。

不过，这种令(ling)人困(kun)惑(huo)的现象(xiang)可能會(hui)导致(zhi)新型(xing)的量子技(ji)術(shu)的出(chu)现。

顛(dian)覆(fu)时间的概(gai)念(nian)

十(shi)年前，物理学家在十年前首(shou)次意(yi)識(shi)到(dao)，量子力(li)学的奇(qi)怪(guai)規(gui)則(ze)推(tui)翻了常(chang)识中的「时间」概念。

是这样的。當(dang)你尋(xun)找(zhao)一个粒子时，你總(zong)是在一个單(dan)一的、类似于點(dian)的地方(fang)檢(jian)測(ce)到它。

但(dan)在被(bei)测之前，一个粒子的行为更像是一种波(bo)，表(biao)现为一个 「波函(han)數(shu)」，在多(duo)條(tiao)路線(xian)上擴(kuo)散(san)和振(zhen)动。在这种未定的狀(zhuang)態(tai)下(xia)，粒子存(cun)在于一种被稱(cheng)为「疊(die)加(jia)」的可能位(wei)置(zhi)的量子态中。

在2013年發(fa)表的一篇(pian)论文(wen)中，现任職(zhi)于香(xiang)港(gang)大学的物理学家朱(zhu)利奥·奇裏(li)貝(bei)拉（Giulio Chiribella）等(deng)提(ti)出了一种电路，可以將(jiang)事(shi)件(jian)放(fang)入(ru)时间順(shun)序(xu)的叠加中，这比(bi)空间中的位置叠加更进一步(bu)。

四(si)年后，魯(lu)比诺和她(ta)的同事直(zhi)接(jie)用(yong)实验證(zheng)明(ming)了这个想(xiang)法(fa)。他(ta)们将一个光子送入两条路徑(jing)的叠加中：

在一条路径中，光子先(xian)经历事件A，然(ran)后是事件B，另(ling)一条路径中，先经历事件B，然后经历事件A。在某(mou)种意義(yi)上，每(mei)个事件似乎(hu)都(dou)会引(yin)起(qi)另一个事件，这种现象后来被称为不确定的因(yin)果關(guan)系(xi)。

奇里贝拉和他的同事并不滿(man)足(zu)于在时间前进的过程中僅(jin)仅擾(rao)亂(luan)事件的顺序，接下来他们瞄(miao)準(zhun)了时间本(ben)身(shen)的行进方向，或(huo)者(zhe)说箭頭(tou)。他们寻求(qiu)一种量子儀(yi)器，在这种仪器中，时间进入了從(cong)过去到未来的叠加状态，反(fan)之亦(yi)然--一种不确定的时间之箭。

要(yao)做(zuo)到这一点，研究人员意识到，他们需(xu)要一个可以进行相(xiang)反变化的系統(tong)，就像一个節(jie)拍(pai)器的手(shou)臂(bi)可以向左(zuo)或向右(you)擺(bai)动一样。

他们设想将这样的系统置于叠加状态，就像一位音(yin)樂(le)家同时向右和向左撥(bo)动一个「量子节拍器」一样。

设想提出以后，光学奇才(cai)们立即(ji)開(kai)始(shi)在实验室里構(gou)建(jian)模型。去年秋(qiu)天(tian)，两个团队陸(lu)续宣(xuan)布(bu)构建成功(gong)。

「两点式(shi)」遊(you)戲(xi)

研究人员设计了一个只有量子两面(mian)手才能勝(sheng)任的游戏。用光子来玩(wan)这个游戏需要将光子发射(she)到两个晶(jing)體(ti)小工(gong)具(ju)，A和B。向后通(tong)过小工具会使(shi)偏(pian)振以恰(qia)好(hao)相反的方式旋(xuan)转。

在每一輪(lun)游戏之前，「裁(cai)判(pan)员」秘(mi)密(mi)地将小工具设置为两种方式之一。向前穿过A，然后向后穿过B的路径，会使光子的波函数相对于时间反转的路径（向后穿过A，然后向前穿过B）发生(sheng)移(yi)动，反之则不会。

在这場(chang)游戏中，玩家必(bi)須(xu)弄(nong)清(qing)楚(chu)裁判员做出了哪(na)种選(xuan)擇(ze)。在玩家隨(sui)心所(suo)欲(yu)地安(an)排(pai)好小工具和其他光学元件后，将一个光子送过迷宮(gong)。

光子最(zui)終(zhong)会出现在两个探(tan)测器中的一个。如果玩家以足够巧(qiao)妙(miao)的方式设置了他们的迷宫，那麽(me)擁(yong)有光子的探测器的点擊(ji)就会顯(xian)示(shi)出裁判的选择。

当玩家设置了电路，使光子在每个小工具中只有一个方向移动，那么，即使A和B的因果顺序不确定，探测器的点击最多只有大約(yue)90%的时间与秘密小工具的设置相符(fu)。

只有当光子经历了一个叠加，使其向前和向后穿过两个小工具时（一种被称为「量子时间翻转」的现象），才能在理论上贏(ying)得(de)每一轮实验。

去年，位于中国合肥(fei)和奥地利維(wei)也納(na)的两个团队都建立了各(ge)自(zi)「量子时间翻转」电路。经过100萬(wan)轮的测試(shi)，维也纳团队将游戏成功率(lv)提升(sheng)至(zhi)99.45%。另一个团队则在99.6%的回(hui)合中獲(huo)胜。

这两个結(jie)果都打(da)破(po)了理论上90%的限(xian)制(zhi)，证明了实验模型中光子经历了两个对立变換(huan)的叠加，因此(ci)代(dai)表时间方向的箭头是不确定的。

解(jie)读「时间翻转」

雖(sui)然研究人员已经執(zhi)行并命(ming)名(ming)了量子时间翻转，但他们对哪个詞(ci)最能体现他们的工作(zuo)，觀(guan)点并不完(wan)全(quan)一致。

在奇里贝拉看(kan)来，这些实验模拟了「时间之箭」的翻转。实际上真正(zheng)的翻转，需要将时空结构本身排布成两种幾(ji)何形(xing)状的叠加，其中时间指(zhi)向不同的方向。

他说：「很(hen)明显，从这个角(jiao)度(du)出发，这个实验并没有实现真正的时间翻转。」

另一个团队認(ren)为，这些电路的最大意义是，在模拟时空方面邁(mai)出了重(zhong)要的一步。研究人员表示，光子的可测屬(shu)性(xing)的变化，与它们通过两个时空几何形状的真正叠加时的变化完全一致。

而在量子世(shi)界(jie)中，在可测物之外(wai)没有任何现实。「也就是说，从状态本身来看，模拟和真实的東(dong)西(xi)之间没有區(qu)別(bie)。」

没有反转时间？也没关系

而無(wu)论如何，物理学家都希(xi)望(wang)，这个设计同时以两种方式流动的量子电路的能力可能会使量子计算(suan)、通信和计量学的新设备成为可能。

法国Néel研究所的量子信息(xi)理论家Cyril Branciard说：「这讓(rang)你可以做更多的事情(qing)，而不仅仅是以一种顺序操(cao)作。」

一些研究人员推测，量子时间翻转的时间旅行味(wei)道可能使未来的量子「撤(che)銷(xiao)」成为可能。还有人預(yu)计，同时在两个方向運(yun)行的电路可以使量子机器更有效(xiao)地运行。

还有研究人员表示：「可以把(ba)这种模型用于游戏，減(jian)少所謂(wei)的查(zha)詢(xun)復(fu)雜(za)度。」他指的是执行某些任務(wu)所需的步驟(zhou)数量。

这样的实际應(ying)用还遠(yuan)未得到保(bao)证。虽然时间翻转电路在Chiribella和Liu的猜(cai)謎(mi)游戏中打破了理论上的性能極(ji)限，但那是一个高(gao)度设计的任务，只是为了突(tu)出它们比单向电路的優(you)勢(shi)，距(ju)離(li)实际应用还非(fei)常遙(yao)远。

但怪异的、看似小眾(zhong)的量子现象卻(que)有证明自己(ji)有用的訣(jue)竅(qiao)。知(zhi)名物理学家安东·齊(qi)林(lin)格曾(zeng)认为，量子糾(jiu)纏(chan)-分(fen)离的粒子之间的聯(lian)系无法帶(dai)来任何好处。

今(jin)天，量子纠缠将新生的量子網(wang)絡(luo)中的节点和原(yuan)型量子计算机中的量子比特(te)联系在了一起，齐林格对这一现象上的研究为他赢得了2022年诺贝爾(er)物理学獎(jiang)。而对于量子时间的可翻转性問(wen)題(ti)，现在仍(reng)处于非常早期(qi)的階(jie)段(duan)。

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