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物理学家利用量子计算机在最小尺度上逆转时间

2019-3-15@艾米

把时间的箭头视为理所当然很容易,但是物理的齿轮实际上反过来也很顺利。也许时间机器终究是可能的?

最近的一项实验表明:至少在量子尺度上,当我们区分过去和未来时,我们可以期待有多大的回旋余地;它可能不允许我们重温20世纪60年代,但它可以帮助我们更好地理解为什么不。

来自俄罗斯和美国的研究人员联手寻找一种方法来打破或至少弯曲物理学中关于能量的最基本定律之一。

热力学第二定律不是一个硬性的规则,更多的是宇宙的指导原则。它指明,随着时间的推移,随着能量从最强烈的地区转移和扩散,热的东西会变得更冷。

这是一个原理,解释了为什么你的咖啡不会在寒冷的房间里保热,为什么炒鸡蛋比解鸡蛋容易,以及为什么没有人会让你申请永动机专利。它也是我们最接近的一条规则,告诉我们为什么能记住我们昨晚的晚餐,但对下一个圣诞节没有记忆。

莫斯科量子物理学家Gordey Lesovik说:“这一定律与时间箭头的概念密切相关,这个概念假定了从过去到未来的单向时间。”

事实上,物理学中的所有其他定律都可以翻转并仍然有意义。例如,你可以放大一个游泳池的游戏,如果你碰巧看到它是反向的,任何两个球之间的一次碰撞看起来都不会奇怪。

另一方面,如果你看着球从口袋里滚出来,改造金字塔起点,那将是一次发人深省的经历。这是为你工作的第二定律。

物理学家利用量子计算机在最小尺度上逆转时间

在煎蛋卷和游泳池的宏观尺度上,热力学定律中不应该有太大的让步。但是,当我们专注于现实的微小齿轮,在这种情况下孤立的电子出现了漏洞。

电子不像小小的台球,它们更像是占据空间的信息。它们的细节是由一个叫做薛定谔方程的东西定义的,这个方程代表了一个电子的特性作为机会波的可能性

如果这有点令人困惑,看看台球这个例子。

你从手中的信息 – 母球开始,然后在桌子上滚动。薛定谔方程告诉你球在台球桌上的某个地方以一定的速度移动。从量子的角度来说,球无处不在,速度各不同……有些只是比其他的更有可能。

你可以伸出手抓住它来确定它的位置,但现在你不确定它的速度有多快。你也可以用手指轻轻地擦它,并自信地知道它的速度,但它去了哪里……谁知道呢?

不过,你可以使用另外一个技巧。发送滚球后一瞬间,你可以相当确定它仍然在你的手附近高速移动。

从某种意义上说,薛定谔方程预测了量子粒子的相同之处。随着时间的推移,粒子位置和速度的可能性会扩大。

时间机器

来自美国阿贡国家实验室的材料科学家Valerii Vinokur说“然而,薛定谔方程式是可逆的。在数学上,这意味着在一个称为复共轭的特定变换下,该等式将描述一个’模糊的’电子在同一时间段内定位回一个小的空间区域。”

这就好像你的母球不再在黑暗的桌子上无限可能的位置波中传播,而是倒回到你的手中。

从理论上讲,没有什么能阻止它自发发生。但是,你需要每秒钟盯着100亿个电子大小的台球桌,以及我们宇宙的生命周期,才能看到它发生一次。

研究小组并没有耐心地等待,看着资金源源不断地流出,而是使用量子计算机中未确定的粒子状态作为他们的池球,并巧妙地操纵计算机作为他们的“时间机器”。

这些状态或量子位中的每一个被布置成简单的状态,其对应于握球的手。一旦量子计算机投入使用,这些状态就会展现出各种各样的可能性。通过调整计算机设置中的某些条件,这些可能性被限制在一种有效地重绕薛定谔方程的方式中。

为了测试这个,团队再次启动了设置,好像踢了一张台球桌,看着散落的球重新排列成最初的金字塔形状。在大约85%的基于两个量子位的试验中,这是正在发生的事。

这已经不是这支团队首次给热力学第二定律一个很好的动摇了。几年前,他们把一些粒子缠在一起并设法加热和冷却它们,使它们有效地表现得像永动机。

在实践层面上,他们用这种方法操纵薛定谔方程到倒带的算法可以帮助提高量子计算机的准确性。寻找在量子尺度上突破这些物理定律极限的方法可能有助于我们更好地理解宇宙为什么像它一样“流动”。

本文源自 sciencealert ,由米粮仓 艾米 基于创作共用协议(CC BY-NC)发布。

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