不受时间之箭拘束,量子电脑可能将改变我们对时间的看法

不受时间之箭拘束,量子电脑可能将改变我们对时间的看法

「时间」是非常复杂的概念,以传统观点来说,时间不可逆且持续向前流动,但最近一项关于量子电脑的研究发现,由于我们对时间的想法只是基于自身对事物运作的感知,对真正的时间来说,这或许是非常狭隘的观点。

这项研究是由新加坡国立大学量子科技研究中心(CQT)和南洋理工大学团队共同进行,7月18日发表在《物理评论X》(Physical Review X)研究里,团队发现量子电脑并不像一般电脑,受传统时间观念的限制。

谈研究之前,必须先解释一下目前存在的「时间之箭」(arrow of time)概念:即时间是一条单行道,有明确的方向性,像原因必定发生在结果之前。举例来说,这就像你在看电影时,如果从开头持续看了够久时间,并了解剧情在说什么,你会渐渐可预测接下来会发生的事;但如果将影片从结尾倒转看,一切似乎显得毫无意义可言,你自然难以反向预测之前发生的事。

当然,有些人可能会提出反例,像是当一个人拍球,你很容易预测球不是从手上拍出,还是正要反弹到手中,但这是因为事物是沿着可预测的路径移动,因果关系在两个方向大致相同,如果除去这些有明显痕迹可遵循的情况,就物理预测而言,当你逆转时间进行时,运作方式完全不同。

根据过去科学家James Crutchfield 进行的研究,当你想从各种发生的情况(原因)预测未来可能发生的事情(结果),你会需要一台强大电脑系统来模拟,但若是以相反顺序推理,困难度将以指数级成长,你会需要远比前者更强大的电脑才能进行,这种不对称的现象称为因果不对称(causal asymmetry)。

这也是为什么团队开始研究的原因。从理论来说,由于量子力学与传统物理完全不同,因此量子运算可能不会遇到人类和一般电脑面临的因果不对称,处理时间之箭的方式可能也会不同,研究也证实了同样的情况。

过去经典物理模型的预测,因果不对称的情况确实显现,反向预测消耗的资源明显大得多,但这次团队运用量子物理模型的预测实验中发现,量子物理模型除了完全减轻资源消耗(即使反向预测的量子模型也总是赢过正向预测的经典模型),还可往任何方向预测──甚至在某些测试,好像从原因推测到结果或从结果推测到原因,对量子电脑来说根本没有差别。

论文主要作者Jayne Thompson认为,这项研究有一些深远的影响,对团队来说,最令人兴奋的莫过于时间之箭理论有其他解释的可能性,「如果因果不对称的问题只在经典物理出现,那表示我们对因果关系,甚至是对时间的理解,都可从量子世界的基础获得经典解释。」

由于量子物理主要就是研究宇宙微型粒子的奇特概率行为,只要这些粒子确实符合量子物理理论(尽管一些奇怪的效应我们可能还不明白),那宇宙应该也是如此。也就是说,如果量子电脑可在没有因果不对称的情况下运作,那么宇宙本身应该也相同。

虽然有这种想法,但Thompson 强调,看到这些量子电脑将如何运作的证据,与未来真的实际运作证实是完全不同的事,以目前的情况来说,要制造出足以实际运算论文描述模型的量子电脑还有很长一段路要走,更重要的是,虽然测试中少数量子模型并未出现因果不对称情况,但还是有些非常简陋的量子模型出现一些因果不对称情况,因此目前的研究无法证明宇宙完全不存在因果不对称性。

团队未来打算持续深入研究,弄清楚因果不对称性是否存在任何量子模型,除了有助于时间之箭的相关论证,这项研究结果也可能有实用价值。就像倒转播放的电影,有时我们也需要找到方式理解本质难以建模的事物,在这种情况下,量子演算可证明比传统方法更有效。

Researchers prove the arrow of time is irrelevant to quantum computers

Reversing cause and effect is no trouble for quantum computers

How Quantum Computers Could Kill the Arrow of Time

(首图来源:shutterstock)

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