量子的世界,不允許“蝴蝶效應”丨時間旅行
2020年08月04日11:54

原標題:量子的世界,不允許“蝴蝶效應”丨時間旅行

原創 Los Alamos 世界頂尖科學家論壇 來自專輯星辰大海

時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產生“蝴蝶效應”,以致改變整個歷史走向?

蝴蝶效應是混沌理論的精髓,它提醒了世界運轉的一個本質:我們的世界並不遵循可預測的模式。圖|exploring your mind

科幻作家對此提出了各種設想,科學家則在想辦法進行驗證。近期,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的兩位科學家用量子計算機模擬了“時間旅行”,發現量子有自我修復的能力,蝴蝶效應在量子層面不成立。

在研究中,通過量子計算機的模擬,信息量子位,也就是量子比特進行了“時間旅行”,回到過去。其中的一個量子比特會被破壞。然而,令人驚訝的是,當所有的量子比特回到“現在”,一切都恢復了原樣,彷彿它們具備自愈的能力。

論文作者之一、洛斯阿拉莫斯國家實驗室的理論物理學家尼科萊·辛尼森(Nikolai Sinitsyn)說:“在量子計算機上,模擬時間的反方向演化、或者模擬一個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,然後返回現在,看看複雜的量子世界里發生了什麼。我們發現我們的世界仍然好好的,這意味著量子力學中沒有蝴蝶效應。”

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,講述了一個獵手的故事:他通過時間旅行回到遙遠的過去,在那裡他踩到了一隻蝴蝶;回到現在之後,他發現了一個全然不同的世界。由此出現了“蝴蝶效應”一詞,它指一個複雜的動態系統,對其初始條件的高度敏感性。

這種系統被稱為“混沌系統”。混沌(chaos)是指確定性動力學系統因對初值敏感而表現出的不可預測的、類似隨機性的運動。在這樣的系統中,早期的細微因素可能對整個系統的演化產生強烈影響。

《雷霆萬鈞》。作者:雷·布拉德伯里。圖|Slider Base

不過,論文作者嚴斌(音譯,英文名Bin Yan)和辛尼森發現,在量子系統中模擬回到過去時的小損傷,演化到“現在”也只會導致微不足道的局部損傷。

這種效應可以應用於信息隱藏硬件和量子信息器件測試中,計算機可以通過將初始狀態轉換為強糾纏態來隱藏信息。

“我們發現,即使入侵者對強糾纏態進行破壞性測量,我們仍然可以很容易地恢復有用的信息,因為這種損傷不會被解碼過程放大,這就證明了關於創建量子硬件來隱藏信息的討論是合理的。”嚴斌說。嚴斌目前在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的非線性研究中心從事博士後研究。

這一新發現還可以用來測試量子處理器是否真的在量子原理下工作。由於新發現的非蝴蝶效應是純量子的,如果一個處理器運行嚴斌和辛尼森的系統,並顯示出這種效應,那麼它一定是一個量子處理器。

量子原理將改變下一代的互聯網安全。圖|the Security Ledger

為了測試量子系統中的蝴蝶效應,嚴斌和辛尼森利用IBM-Q量子處理器,展示了一個電路如何通過應用量子門來演化具有因果關係的複雜系統。

在他們的實驗中,愛麗絲在當前時刻準備了一個量子比特,並在量子計算機中讓它回到過去。而在“過去”,鮑勃測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聯。接下來,系統運行到當前時間。(量子通訊領域,愛麗絲和鮑勃通常用來指代信息的發送者和接收者。編者注)

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

根據布拉德伯里的理論,在複雜的演化過程中,鮑勃對量子狀態和量子關聯的微小損害應該很快被放大。因此,愛麗絲最後應該無法恢復她的信息。

但事實並非如此。嚴斌和辛尼森發現,在“過去”對量子關聯的信息做出細微的干預,不會破壞“現在”的信息。他們的實驗證明,儘管受到鮑勃的干擾,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。

“我們發現,在經典物理學和量子力學中,混沌的概念必須有不同的理解。”辛尼森這樣說。

*本文來源:洛斯阿拉莫斯國家實驗室。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)

簡稱LANL,是美國承擔核子武器設計工作的兩個國家實驗室之一;前稱“Y計劃”、洛斯阿拉莫斯實驗室、洛斯阿拉莫斯科學實驗室。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室建立於1943年曼哈頓計劃期間,最初負責原子彈的製造、由伯克利加州大學負責管理,首任主任是“原子彈之父”羅伯特·奧本海默。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室是世界上最大的科學和技術研究機構之一,它在國家安全、太空探索、 可再生能源、醫藥、納米技術和超級計算機等多個學科領域開展研究。

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