我们都用时钟和日历标记日子，但也许没有用时间倒序更直接。多年来我们注意到的变化生动地说明了科学的“时间之箭” – 从有序到无序的可能发展。我们不能扭转这个箭头，就像我们不能消除所有的皱纹或将破碎的茶杯恢复到原来的形状。
我们都用时钟和日历标记日子，但也许没有用时间倒序更直接。多年来我们注意到的变化生动地说明了科学的“时间之箭” – 从有序到无序的可能发展。我们不能扭转这个箭头，就像我们不能消除所有的皱纹或将破碎的茶杯恢复到原来的形状。
或者我们可以吗？
由美国能源部（DOE）阿贡国家实验室领导的一个国际科学家团队在一个首次实验中探索了这个问题，并设法将计算机短暂地回到原来的状态。该结果于3月13日发表在“ 科学报告 ”杂志上，为探索量子系统中的时间倒流提供了新的途径。它们还为量子计算机程序测试和纠错开辟了新的可能性。
为了实现时间逆转，研究团队开发了一种用于IBM公共量子计算机的算法，该算法模拟粒子的散射。在经典物理学中，这可能看起来像一个撞球撞击的台球，在一条线上行进。但是在量子世界中，一个散射的粒子呈现出破碎的质量，在多个方向上扩散。旋转其量子进化就像旋转石头扔进池塘时产生的环。
在自然界中，将这个粒子恢复到原始状态 – 实质上是将破碎的茶杯重新组合在一起 – 是不可能的。
主要问题是你需要一个“超系统”或外力来操纵粒子的每一点的量子波。但是，研究人员指出，这种超系统自发出现并正确操纵量子波所需的时间线将比宇宙本身延伸的时间更长。
该团队没有被吓倒，开始着手确定如何克服这种复杂性，至少在原则上如此。他们的算法通过两级量子系统模拟电子散射，由量子计算机量子比特“量化” – 量子信息的基本单位 – 及其相关的时间演化。电子从局部或“看见”状态变为分散状态。然后算法反向抛出过程，粒子返回到初始状态 – 换句话说，如果只是一小部分时间它会及时移回。
鉴于量子力学受概率而不是确定性的支配，实现这一时间旅行专长的几率相当不错：该算法在双量子比特量子计算机中有85％的时间提供相同的结果。
“我们做过以前认为不可能做到的事情，”领导这项研究的Argonne资深科学家Valerii Vinokur说。
结果加深了我们对热力学第二定律 – 系统总是从有序到熵而不是相反的方式 – 在量子世界中的作用的理解。研究人员在以前的工作中证明，通过传送信息，可以在量子系统中局部违反第二定律，该量子系统被分成可以相互平衡远程部分。
莫斯科物理科学与技术学院的共同作者Gordey Lesovik说：“这一结果也使人们认为不可逆性是由测量产生的，这突出了’测量’概念在量子物理学的基础上所起的作用。” 。
这与奥地利物理学家欧文·薛定谔（Erwin Schrödinger）用他着名的思想实验所捕获的概念相同，其中一只密封在盒子里的猫可能会既死又活，直到它的状态被监控到某种程度。研究人员通过限制他们的测量结果，将这些粒子悬浮在这种叠加或量子限制的形式中。
“这是我们算法的重要组成部分，”Vinokur说道。“我们在一开始和最后都测量了系统的状态，但中间没有干扰。”
这一发现最终可能会在量子计算机上实现更好的纠错方法，其中累积的错误会产生热量并产生新的热量。能够有效地跳回并清除错误的量子计算机可以更有效地运行。
“现在，很难想象这可能带来的所有影响，”Vinokur说。“我很乐观，我相信它会很多。”
该研究还提出了一个问题：研究人员现在可以找到一种方法让老年人再次年轻吗？“也许，”Vinokur开玩笑说，“有适当的资金。”
这项工作由国际团队完成，其中包括莫斯科物理和技术研究所（Gordey Lesovik，Andrey Lebedev，Mikhail Suslov），苏黎世联邦理工学院（Andrey Lebedev）和美国阿贡国家实验室（Valerii Vinokur，Ivan Sadovskyy）的研究人员。
这项研究的资金由美国能源部科学与战略伙伴关系项目办公室（瑞士国家基金会和理论物理促进基金会“BASIS”）提供。
来源：DOE / Argonne国家实验室