從過去到未來，時間沿著一個確定的方向流動的經(jīng)驗深深扎根于我們的思維中。然而，在微觀層面上，自然法則似乎對過去和未來之間的區(qū)別漠不關(guān)心。在經(jīng)典力學和量子力學中，基本的運動方程都是可逆的，改變時間符號仍然會產(chǎn)生有效的動力學。
最近的研究發(fā)現(xiàn)，在精心設(shè)計的電路中，光子在時間上表現(xiàn)得好像是同時向前和向后移動，這不僅可以幫助科學家改進量子計算并理解量子引力，還可以幫助我們弄清楚宇宙中一些最神秘的現(xiàn)象。
兩個量子原理
這種“時間反演”效應源于兩個奇怪原理的融合。第一個是量子疊加：量子疊加是量子力學的基本原理。它指出，就像經(jīng)典物理學中的波一樣，任何兩個（或更多）量子態(tài)可以疊加在一起，結(jié)果將是另一個有效的量子態(tài)；相反，每個量子態(tài)都可以表示為兩個或兩個以上不同態(tài)的和。數(shù)學上，它指的是薛定諤方程解的性質(zhì)。由于薛定諤方程是線性的，任何解的線性組合也是一個解。這意味著，微小粒子（如電子）能夠同時以許多不同的狀態(tài)存在，稱為疊加態(tài)。第二個原理是，電荷、宇稱和時間反演對稱性（CPT），它指出任何包含粒子的系統(tǒng)都將遵守相同的物理定律，即使粒子的電荷、空間坐標和時間運動被反演。
量子時間翻轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）（quantum time flip）
通過結(jié)合這兩種原理，物理學家產(chǎn)生了一種似乎同時沿著時間箭頭和逆時間箭頭運動的光子。
2013 年的一篇論文中，物理學家朱利奧?奇里貝拉提出了一種電路，將事件置于時間順序的疊加中，超越了空間位置的疊加。17 年，奇里貝拉這一想法被實驗證實。
研究人員將一個光子發(fā)送到兩條路徑的疊加上：一條是經(jīng)歷事件 A，然后是事件 B，另一條是經(jīng)歷事件 B，然后是事件 A。在某種意義上，每個事件似乎都導致了另一個事件，這種現(xiàn)象后來被稱為無限因果關(guān)系。
時間之箭
時間似乎有一個方向 —— 過去在后面，固定不變，而未來在前面，不一定是固定的。然而，在大多數(shù)情況下，物理定律并沒有指定時間箭頭，并且允許任何過程向前或反向進行。這通常是由被分析系統(tǒng)中的參數(shù)對時間進行建模的結(jié)果，其中不存在“固有時間”：時間箭頭的方向有時是任意的。
奇里貝拉設(shè)計了一種量子裝置，在這種裝置中，時間進入了從過去流向未來的疊加態(tài)，反之亦然 —— 一個無限的時間箭頭。
為此，奇里貝拉需要一個可以發(fā)生相反變化的系統(tǒng)。他設(shè)想將這樣一個系統(tǒng)置于疊加態(tài)。
光子的游戲
奇里貝拉設(shè)計了一種裝置，裝置中的激光器向兩個晶體裝置 A 和 B 發(fā)射光子。光子向前穿過一個小裝置時，其自旋偏振取決于裝置的設(shè)置；向后通過這個裝置，電子偏振以完全相反的方式旋轉(zhuǎn)。
研究人員設(shè)置電路，使光子在每個裝置中只向一個方向移動。那么，即使 A 和 B 處于不確定的因果順序，探測器最多在 90% 的時間內(nèi)與裝置設(shè)置匹配。只有當光子經(jīng)歷一次疊加，使它在兩個裝置中向前和向后移動時（量子時間反演），才算成功。
去年，中科大團隊和維也納團隊建立了量子時間反演電路。在超過 100 萬輪的測試中，維也納團隊的成功率為 99.45%。中科大團隊的成功率為 99.6%。這兩個團隊都打破了 90% 的理論極限，這證明了光子經(jīng)歷了兩種相反轉(zhuǎn)變的疊加，因此有一個無限的時間箭頭。
時間翻轉(zhuǎn)的未來
很明顯，這個實驗并沒有實現(xiàn)時間箭頭的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)時間需要將時空結(jié)構(gòu)本身排列成兩個時間指向不同方向的幾何圖形的疊加。
與此同時，如果光子通過兩個時空幾何的真正疊加，光子的可測量屬性會發(fā)生完全相同的變化。在量子世界中，沒有超越可測量范圍的現(xiàn)實。
物理學家們希望，設(shè)計出同時雙向流動的量子電路的能力，可能會為量子計算、通信和計量學提供新的設(shè)備。雖然時間翻轉(zhuǎn)電路突破了理論上的性能限制，但這是一個高度人為設(shè)計的任務，只是為了突出它們相對于單向電路的優(yōu)勢。
著名物理學家安東?蔡林格曾經(jīng)認為量子糾纏對任何事情都沒有好處。如今，量子糾纏將新生量子網(wǎng)絡中的節(jié)點和原型量子計算機中的量子位串聯(lián)在一起。對于量子時間的可翻轉(zhuǎn)性質(zhì)，一切都還未知。
本文來自微信公眾號：老胡說科學 （ID：LaohuSci），作者：我才是老胡
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