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两个量子比特的值很快就会变成1和0中的任意一个

来源:http://www.thefemaLeorator.com 作者:js12345-js12345金沙官网登入「HOME」 时间:2020-04-30 05:55

实验表明,虽然在自然状态下极不可能,利用量子算法却可以演示如何反转时间之箭。

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因此时间似乎无法逆转,小男孩变老,青春无法回溯;茶杯会碎,但不会自发地重新组合。宇宙的这种残酷而不可改变的性质,被称为“时间之箭”,从根本上说,是热力学第二定律的结果。热力学第二定律规定,随着时间的推移,系统总是趋向于变得更加无序。但最近,一项突破性的研究表明时间似乎可以倒转!这简直在科学家掀起了一片惊涛骇浪,完全颠覆了对时间的认知!这项研究表现为具体来自美国和俄罗斯的研究人员将时间箭头稍稍弯曲了一下,至少对于亚原子粒子是这样。

科学家计算了自然状态下,被随机扰动的孤立电子恢复到原有量子状态所需的时间,结果发现即使每秒钟对100亿个电子进行研究,得到一次结果所需的时间也会穷尽宇宙的一生。

后者之所以看起来如此荒谬,是因为我们对热力学第二定律的直觉理解:一个孤立的系统要么保持静止,要么朝着混沌而非有序的状态发展。大多数其他物理定律都不能阻止滚动的台球聚集成金字塔,注入的茶不能流回茶袋,火山也不能反向“喷发”。但这些现象没有被观察到,因为它们需要一个孤立的系统在没有任何外部干预情况下假定一个更有序的状态,这违反了第二定律。这一定律的性质尚未得到充分的解释,但研究人员在理解其背后的基本原理方面取得了很大进展。

那么科学家们是如何让根本不可能的事情发生的?

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图片:tsarcyanide/MIPT

科学家称一旦源被创造出来,将波浪送回源是非常复杂和复杂的,但我们看到,这在量子世界中是可能的,在一个非常简单的情况下。换句话说,当他们使用量子计算机给他们的控制来撤销时间的影响时,这是可能的。而且在实验中运行程序后,系统85%的时间恢复到原来的状态。然而,当引入第三个量子位元时,实验成功的几率只有50%。研究人员说,系统的复杂性可能在第三个量子位元上增加了太多,使得量子计算机更难维持对系统所有方面的控制。没有这种控制,熵就无法被控制,因此时间反转是不完美的。

但在另一个能够让计算机实现倒转运行的程序控制下,再次运行第一个程序的结果是,有大约85%的概率,两个量子比特的值能够已大恢复到原先的双0状态。程序中最困难的部分,是如何让计算机实现有效的倒转运行。

博科园-科学科普:最近发表的一篇研究论文从第三个角度探讨了同样的问题:我们人为地创造了一种状态,它朝着与热力学时间箭头相反的方向发展。大多数物理定律对未来和过去没有区别。例如,让一个方程描述两个相同台球的碰撞和反弹。如果用摄像机记录下该事件的近景,然后反过来播放,它仍然可以用相同的方程表示。此外,如果录音被篡改,就不可能从录音中分辨出来。两种说法看起来都有道理。台球似乎违背了时间的直觉。然而,想象一下,记录一个主球打破“台球金字塔”,台球分散在各个方向。在这种情况下,很容易区分真实场景和反向回放。

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这个趋势有时候也被称作时间之箭。宇宙走向混乱是一条基本定律——第二热力学定律。这条定律认为,任何系统只会从有序走向无序,系统的混乱程度——也就是所谓的熵,永无下降之可能。

研究小组开始计算观察到一个电子在不到一秒的时间内自动定位到最近位置的概率。结果表明,即使在整个宇宙的生命周期中每秒钟观察到100亿个新定位的电子,粒子状态的反向演化也只会发生一次。即使在那时,电子进入过去的时间也不会超过十亿分之一秒。涉及台球和火山的大规模现象显然以更大时间尺度展开,并以数量惊人的电子和其他粒子为特征。这就解释了为什么我们没有观察到老年人变年轻或墨迹从纸上分离出来。

在这一项历史性的研究中,科学家使用由两个量子粒子组成的非常小的量子计算机操纵时间之箭。我们知道在亚原子尺度上,量子力学的奇异规则是占据主导地位,物理学家通过一个称为波函数的数学结构来描述系统的状态。这个函数是系统可能处于的所有可能状态的表达式,甚至,对于一个粒子,它可能处于的所有可能位置,以及系统在任何给定时间处于这些状态的概率。而且一般来说,随着时间的推移,波函数会扩散,如果你等一个小时,粒子的可能位置可能比等5分钟要远。而科学家的操作就是强制撤销波函数的传播,就像把溢出的牛奶放回瓶子里,这正是研究人员在这项新实验中所完成的。

但是最近一些科学家却声称,他们利用IBM简易公共量子计算机中的程序,成功地反转了时间之箭。

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维诺库表示,尽管如此,这项研究对物理学的基础做出了很好的贡献,这是一个证明,量子计算机可以让我们模拟现实世界中不应该发生的事情。而他们的下一步目标是更大的系统和更大的量子计算机。

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量子计算机上实际实验的四个阶段反映了思想实验的各个阶段,包括空间中电子和台球的想象类比。这三种系统最初都是从有序向混沌演进,但随后一个完全定时的外部扰动逆转了这一过程。图片:tsarcyanide/MIPT

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有人说这个世界未来的发展趋势下所导致的各方面的结果只是会越来越糟,而这种趋势本身具备不可逆性,覆水难收的境地让人开始有些担心。宇宙的最终发展方面也只有一个,愈加混乱和缺乏秩序。

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量子计算机是用量子比特来进行计算的。和普通计算机中的比特一样,量子比特也有1和0两个值,但不同的是,量子比特可以处于叠加态——意为其可以同时拥有1和0两个值。它们遵循的是量子力学定律,与界限分明的日常世界情况截然不同。

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时间倒流,一直被认为是存在科幻小说里的强大技术,但是科学家认为在现实中这种神技极有可能是不存在的,因为时间只会朝着一个方向前进,根据热力学定律,这是由于宇宙中有一种被称为“熵”的存在,这种物质的存在只会增加,而熵的增加在发生之后是无法回溯的。

科学家利用一个程序,将计算机中的两个量子位同时设置为0。根据量子力学定律,随着时间的自然流逝,这一秩序会被打破,两个量子比特的值很快就会变成1和0中的任意一个。

阶段4:再生。第二阶段的演进计划再次启动。如果“踢”成功了,程序不会导致更多的混乱,而是将量子位元的状态倒回过去,就像弄脏的电子会被定位,或者台球会在反向回放中沿着轨迹折回,最终形成一个三角形。

来自悉尼大学的物理学教授斯蒂芬·巴特利特称,其实就是两个字,专注。要想让茶杯里的碎片重新聚在一起,你真的需要很大的控制力。你必须对系统有很大的控制,才能让它做到这一点……而量子计算机可以让我们对模拟的量子系统有很大的控制。

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