導讀
近日，俄羅斯莫斯科物理技術學院等科研機構的研究人員們讓量子計算機倒退至幾分之一秒之前的狀態。
背景
時間可以倒流嗎？也許，這是許多人心中的美好願望，比如說回到自己年輕的時候。可是，真正要實現這種願望，往往是在我們的夢境或者科幻小說中，在現實生活中基本上是不可能的。
（圖片來源：Aki Honda / 新加坡國立大學量子技術中心）
熱力學第二定律告訴我們：“在孤立系統中，體系與環境沒有能量交換，體系總是自發地向混亂度增大的方向變化，總使整個系統的熵（entropy）值增大，這就是熵增原理。”
熵，是衡量我們這個世界中事物混亂程度的一個指標。熵的增加意味著混亂程度的增加。熵的理論告訴我們，如果不施加外界影響，事物永遠會向著更混亂的狀態發展。例如，我們的辦公桌上的物品，如果沒人來整理，只會越來越亂，不會越來越整齊。拿我們的宇宙來說，從一個奇點經過大爆炸演變成今天的樣子，熵也在不斷增加，變得越來越無序。
宇宙從大爆炸演變至今的過程（圖片來源：維基百科）
熵的增加，讓我們直觀地感受到了“過去”和“未來”之間的區別。例如，隨著一個人年齡的增長，臉上的皺紋就會越來越多。因此，我們意識到了時間是朝著一個方向在流逝，這就是所謂的“時間箭頭”。
著名物理學家霍金在《時間簡史》中這樣描述時間箭頭：“無序度或熵隨著時間增加，是所謂時間箭頭的一個例子。時間箭頭將過去和將來區別開來，使時間有了方向。至少有三種不同的時間箭頭：第一個，是熱力學時間箭頭，即是在這個時間方向上無序度或熵增加；然後是心理學時間箭頭，這就是我們感覺時間流逝的方向，在這個方向上我們可以記憶過去而不是未來；最後，是宇宙學時間箭頭，在這個方向上宇宙在膨脹，而不是收縮。”
不過，著名的物理學家麥克斯韋隱隱感覺到，這個宇宙中可能存在著某種像“妖精”一般存在的機制，在抵抗著熵的增加。因此，他提出了著名的思想實驗“麥克斯韋妖（Maxwell's demon）”。
這個思想實驗大致是這樣的：“一個絕熱容器被分成相等的兩格，中間是由“妖”控制的一扇小“門”，容器中的空氣分子作無規則熱運動時會向門上撞擊，“門”可以選擇性的將速度較快的分子放入一格，而較慢的分子放入另一格。這樣，其中的一格就會比另外一格溫度高，可以利用此溫差，驅動熱機做功。這是第二類永動機的一個範例。“
麥克斯韋妖思想實驗的示意圖（圖片來源：維基百科）
2017年2月，俄羅斯莫斯科物理技術學院（MIPT）量子信息理論實驗室領導的國際科學家團隊在《科學報告（Scientific Reports）》期刊上發表的一篇論文【2】稱：量子系統的熵可以隨著時間流逝而減少。這一發現違背了熱力學第二定律中的熵增原理。也就是說，他們發現了量子的麥克斯韋妖，可以減少系統的熵。
這違背了熱力學第二定律。這種現象產生的原因是：在經典物理和量子物理中熵的變化是不同的。在經典系統中，熵的減少必然需要熱量傳輸；在量子系統中，由於量子糾纏，熵的減少可無需任何能量傳輸。
研究人員拿灰姑娘做了一個很好的比喻。灰姑娘的繼母給她一碗豆子，其中豌豆和扁豆混在一起，要她分開這些豆子。從物理學角度說，就是減少系統的熵。一個經典的灰姑娘，在一個孤立的系統中，無法分開這些豆子；而一個量子的灰姑娘卻可以做到。類似地，研究人員也可以通過量子效應來“整理”系統的狀態。
2018年12月，俄羅斯莫斯科物理技術學院、瑞士蘇黎世聯邦理工學院、美國阿貢國家實驗室的科學人員們描述了一種延伸的量子麥克斯韋妖。在一個離“妖”1到5米距離的系統中，一個設備局部地違反了熱力學第二定律。該設備可應用於量子計算機和微型冰箱，高精準度地冷卻任何物體。這項研究成果【3】發表在《物理評論B（Physical Review B）》期刊上。
創新
近日，俄羅斯莫斯科物理技術學院等科研機構的研究人員們讓量子計算機的狀態倒退至幾分之一秒之前的狀態。他們也計算出了一個電子在空蕩蕩的星際空間中自發地回到其不久之前的狀態的可能性。
他們的研究成果【4】發表在《科學報告（Scientific Reports）》期刊上。其實，這篇最新的論文是從另外一個角度來應對同樣的問題。研究人員們人為地製造出了一種向著與熱力學時間箭頭相反的方向演變的狀態。
時間反轉的藝術詮釋（圖片來源：tsarcyanide/MIPT 新聞辦公室）
技術
是什麼讓未來與過去變得不同？大部分的物理定律並沒有區分未來和過去。例如，我們用一個方程去描述兩個相同的檯球碰撞和反彈。如果我們用攝像頭記錄下這個事件的特寫鏡頭然後再倒敘播放，那麼這個事件仍然可以用同樣的方程來描述。進一步說，一個人根本無法辨別出這段錄像是實際記錄的，還是人工製作的回放錄像。順序和倒敘的兩個錄像版本看上去都像真的一樣。這似乎就像檯球違背了直覺的時間感。
開球時，我們用母球撞擊排成金字塔形狀的其他球，這些球會向各個方向散開。如果我們記錄下這個場景，一個人根本無需瞭解遊戲規則，就可以輕鬆地分辨出哪個是真實場景的錄像，哪個是倒敘播放的錄像。這些散亂的球又回到開球之前的狀態，違背了我們的直覺，顯得非常荒謬。其實，原因就是，我們對於熱力學第二定律的直觀認識：一個孤立的系統要麼保持靜止，要麼就朝著更加混亂的方向演變。
檯球中一次擊球的長時間曝光攝影（圖片來源：維基百科）
其他大多數的物理定律，不會阻止這些分開的球重新集結成金字塔形，也不會阻止泡好的茶流回茶包，或者一個火山朝著相反地方向噴發。但是，我們重來沒有看到這些事情發生過。這是因為這需要一個孤立的系統，在沒有外界干擾的情況下，假設一種更加有序的狀態，與熱力學第二定律相反。熱力學第二定律的道理一直都沒有得到完全詳細的解釋，但是研究人員們已經在理解其背後的基本規律方面取得了很大進展。
MIPT的量子物理學家們決定試驗一下時間是否可以逆轉，至少說，能在“單個粒子”以及“幾分之一秒”的條件下。這一次，他們不再是通過撞球，而是測試了一個處於空蕩蕩的星際空間中的孤立電子。
研究人員 Andrey Lebedev 表示：“假設當我們開始觀察一個電子的時候，電子已經被定位。這意味著，我們對電子在空間中的位置很確定。量子力學的定律讓我們無法絕對準確地知道電子的位置，但是我們可以大概描述出電子可能位於的一小塊區域。”
這位物理學家解釋道，電子狀態的演化由薛定諤方程決定。儘管這個方程並沒有區分未來和過去，但是包含電子的空間區域卻會非常快地擴散開來。也就是說，系統會變得更加混亂。電子位置的這種不確定性不斷增長。這有點類似於宏觀系統（例如檯球）由於熱力學第二定律而產生的無序。
另外一位論文作者 Valerii Vinokur 表示：“然而，薛定額方程是可逆的。從數學的角度說，這意味著通過特定的變換，例如複共軛運算。在方程的描述中，‘模糊’的電子會在相同的時間內，返回那一小塊區域。”儘管該現象並沒有在自然界中被觀察到，但是由於瀰漫著宇宙的微波背景輻射，這種現象從理論上說是可能發生的。
宇宙微波背景輻射圖片（圖片來源：維基百科）
一個電子經過幾分之一秒變“模糊”之後，有可能自發返回其不久之前所在的區域。團隊開始計算觀察到這種現象的可能性。結果卻是，即使某人花費整個宇宙壽命（137億年）的時間每秒觀察100億個新定位的電子，粒子狀態的反演也只會發生一次。即使是那樣，電子也只能回到不足一百億分之一秒的過去。
宏觀現象例如檯球、火山等，顯然是發生在更大的時間級別上，並具有數量龐大的電子和其他粒子。這就解釋了為什麼我們無法觀察到一個人返老還童，或者一個墨跡從紙上消失。
研究人員們嘗試通過一個“四階段”實驗來逆轉時間。他們觀察的不是電子，而是量子計算機的狀態。這種量子計算機先是由兩個超導量子位組成，後來又由三個超導量子位組成。
下圖所示：在量子計算機上的實際實驗的四個階段反映了思想實驗的各個階段，涵蓋了太空中的電子以及檯球的想象類比。這三個系統都是從起初的有序向無序演化，然後一個完全定時的外部干擾逆轉了這一過程。
（圖片來源：tsarcyanide/MIPT 新聞辦公室）
第一階段：有序。每個量子位都在基態進行初始化，以0表示。這種高度有序的配置對應著一個小區域中的電子，或者檯球在開球之前的狀態。
第二階段：退化。秩序變混亂。例如，電子變得模糊，好像處於更大的空間區域中，或者檯面上的球在遭受撞擊之後散開，量子位的狀態變成更加複雜變化的0和1的模式。這是通過在量子計算機上簡單地啟動一個演化程序來實現的。實際上，由於與環境的相互作用，類似的退化也會自行發生。然而，自主演化的受控程序將使得實驗的最後階段成為可能。
第三階段：時間逆轉。一個特定的程序改變了量子計算機的狀態，使之從混亂到有序“反向”演化。在電子的案例中，這種操作類似於隨機的微波背景輻射，但是這一次它是被故意引入的。對於檯球來說，一個明顯牽強附會的解釋就是，某人給了桌子“完美的一踢”。
第四階段：重生。第二階段中的演化程序再次啟動。例如，之前的那個“完美一踢”是成功的，程序將不會導致更多的混亂，而是讓量子位將返回過去的狀態，就像模糊的電子被重新定位，而檯球將會沿著軌跡回到開球之前的狀態，最終形成一個金字塔形。
價值
研究人員們發現，85%的情況下，兩個量子位的量子計算機可以真正回到初始狀態。當涉及三個量子位的時候，更多的錯誤會發生，成功率只有大約50%。論文作者們稱，這些錯誤是由實際量子計算機的缺陷造成的。隨著設備的設計變得更加複雜，錯誤率有望降低。
有意思的地是，時間反轉算法本身可以證明對於製造更加精準的量子計算機有作用。Lebedev 解釋道：“我們的算法可以被更新，並用於測試為量子計算機而寫的程序，以及消除噪聲和錯誤。”
關鍵字
量子計算機、量子位、物理
【1】https://mipt.ru/english/news/physicists_reverse_time_using_quantum_computer
【2】https://www.nature.com/articles/srep32815
【3】https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.214502
【4】http://dx.doi.org/10.1038/s41598-019-40765-6
【5】https://mipt.ru/english/news/quantum_systems_can_violate_the_second_law_of_thermodynamics_say_mipt_s_physicists
【6】https://mipt.ru/english/news/quantum_maxwell_s_demon_teleports_entropy_out_of_a_qubit
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