人為操控單個(gè)粒子的量子狀態(tài),讓單個(gè)粒子變得更“年輕”

電影《夏洛特?zé)馈分校穆濉芭既弧贝┰搅藭r(shí)間，回到了他的中學(xué)時(shí)期。于是，他利用生活的經(jīng)驗(yàn)，轉(zhuǎn)身變?yōu)榇蟾栊?，成為人生的贏家，住豪宅，開跑車，娶美女，過上了普通人難以企及的生活。然而，現(xiàn)實(shí)是殘酷的，時(shí)間不可逆，“逝者如斯夫”??！

可是，對(duì)于單個(gè)原子來說，時(shí)間的逆轉(zhuǎn)在百萬(wàn)分之一秒內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)。紐約時(shí)報(bào)日前報(bào)道了這樣一項(xiàng)研究，通過在IBM的量子計(jì)算機(jī)上人為操控單個(gè)粒子的量子狀態(tài)，可以讓單個(gè)粒子變得更“年輕”。實(shí)際上，這項(xiàng)由來自俄國(guó)和美國(guó)的物理學(xué)家共同完成的研究，是去年在論文預(yù)印本網(wǎng)站arxiv上發(fā)布的。

對(duì)于經(jīng)典計(jì)算機(jī)，每一個(gè)儲(chǔ)存位或是0，或是1，以此來存儲(chǔ)或處理信息。而量子計(jì)算機(jī)的一大優(yōu)勢(shì)，就是每一個(gè)儲(chǔ)存位可以同時(shí)是0或者是1，是兩者的一個(gè)疊加狀態(tài)，如同那只著名的薛定諤貓一樣，同時(shí)是死或活的狀態(tài)。

本來在物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中，沒有時(shí)間的箭頭。時(shí)間向前演進(jìn)和向后演進(jìn)，同樣符合基本的物理方程。因此，突然有了時(shí)間箭頭這件事，不管是牛頓力學(xué)，還是高速運(yùn)動(dòng)下的相對(duì)論力學(xué)，量子力學(xué)都是不可理解的。

現(xiàn)在知道，時(shí)間不可逆的根源是熱力學(xué)第二定律，其本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)規(guī)律導(dǎo)致。所以一個(gè)必要的條件是有大量的原子，比如數(shù)量級(jí)達(dá)到10的23次方以上的宏觀物體，就滿足這個(gè)條件，因而導(dǎo)致時(shí)間出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的幾率只會(huì)在理論上出現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)中可以忽略不計(jì)。所以才會(huì)出現(xiàn)破鏡難圓，覆水難收。

這一次物理學(xué)家的成果，著眼于單個(gè)粒子的量子狀態(tài)，在IBM的量子計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子的狀態(tài)的時(shí)間逆轉(zhuǎn)。量子計(jì)算機(jī)可以解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)所無(wú)法解決的問題，比如大數(shù)的因數(shù)分解，這個(gè)會(huì)引發(fā)密碼安全的問題，因而其發(fā)展受到大家的廣泛關(guān)注。在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，有“量子霸權(quán)”的說法，當(dāng)人為控制的量子位達(dá)到一定的數(shù)量，比如40位，就可以完成對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的取代。但目前量子計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要問題是其量子位不穩(wěn)定，易受到環(huán)境擾動(dòng)的影響。

量子力學(xué)中，一個(gè)基本的概念是認(rèn)為粒子也有波動(dòng)性，而這些波必須滿足薛定諤方程。在薛定諤方程中，讓時(shí)間反演，方程也成立。但據(jù)這篇文章看來，理論上看起來“成立”事情，現(xiàn)實(shí)操作起來很困難，這是技術(shù)上的一個(gè)難題，而在自然環(huán)境中，幾乎不可能發(fā)生。

他們的實(shí)驗(yàn)分為如下幾步，首先，用量子比特模仿一個(gè)“人造原子”的簡(jiǎn)單初始狀態(tài)。然后，該團(tuán)隊(duì)用一系列微波無(wú)線電脈沖點(diǎn)擊量子比特，經(jīng)過了τ（～10-6s），這使得量子比特從一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)變得更加復(fù)雜。此后，科學(xué)家用另一個(gè)微波脈沖點(diǎn)擊量子比特，經(jīng)過了τ時(shí)間后，使得原子回復(fù)到初狀態(tài)，相似程度達(dá)到86%。所以，原子在人為的操縱下，又變得“年輕”了，雖然沒有完全回復(fù)到以前的狀態(tài)。

這一次，并非大量粒子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律導(dǎo)致了時(shí)間箭頭，單個(gè)粒子的狀態(tài)在自然狀況中也是不可逆的。文章認(rèn)為對(duì)于時(shí)間逆轉(zhuǎn)，需要一個(gè)復(fù)雜的人為操作。但在大多數(shù)情況下，這樣的操作不可能自發(fā)地發(fā)生在自然界。

“我們的結(jié)果證實(shí)，即使是符合量子力學(xué)的粒子，讓它在自然界自行發(fā)生時(shí)間反轉(zhuǎn)，也幾乎是不可能的”，Vinokuor博士認(rèn)為，目前他是美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的成員。也是這篇論文的五位作者之一。

考慮到量子力學(xué)中占基礎(chǔ)地位的海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理表述，即你不能同時(shí)非常精確地了解一個(gè)原子的位置和其動(dòng)量。Vinokuor以打臺(tái)球比喻說，如果你打的是量子臺(tái)球，對(duì)單原子進(jìn)行時(shí)間逆轉(zhuǎn)操控，難度在于用球桿把臺(tái)球打到原始的位置。粗略的說，打臺(tái)球的力度和方向是無(wú)法完全確定的。

當(dāng)系統(tǒng)增加到兩個(gè)粒子，如果粒子在初始時(shí)刻波包有疊加的狀態(tài)。那么，用經(jīng)典的電磁場(chǎng)完全沒有辦法恢復(fù)到粒子的初始狀態(tài)；即使沒有疊加，量子的糾纏狀態(tài)——即愛因斯坦所說的怪異的相互作用（spooky interaction）——讓兩個(gè)粒子的狀態(tài)瞬間關(guān)聯(lián)在一起，從而讓問題的復(fù)雜程度增加到一個(gè)新的層次，用經(jīng)典的電磁場(chǎng)沒法完全回復(fù)粒子的初始狀態(tài)。

圖丨左：“IBM Q”量子系統(tǒng)的稀釋制冷機(jī)，里面裝有量子計(jì)算機(jī)。

右：IBM量子計(jì)算科學(xué)家 Hanhee Paik（左）和 Sarah Sheldon（右）展示紐約約克敦 IBM T. J. Watson 研究中心內(nèi)一個(gè)打開的稀釋制冷機(jī)內(nèi)的硬件。（ 來源：IBM Research）

時(shí)間可逆性問題，在2002年就引起了大家的關(guān)注。因?yàn)楫?dāng)時(shí)一組澳大利亞的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，微米量級(jí)的小球，在分鐘尺度內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)破壞熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)，甚至《新科學(xué)家》都以“熱力學(xué)第二定律遭到破壞”對(duì)此進(jìn)行了報(bào)道。

單個(gè)粒子的時(shí)間逆轉(zhuǎn)已經(jīng)很困難了，更不要談我們?nèi)粘Ｉ钪信龅降暮暧^數(shù)量級(jí)的粒子。所以，在實(shí)際生活中，你我都被時(shí)間的洪流推動(dòng)著，向前跑。