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物理学家扭转了量子计算机内微小粒子的时间

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发表于 2019-3-19 12:25:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
时间朝着一个方向发展:前进。小男孩成了老人,但反之亦然; 茶杯破碎但从不自发地重新组装。宇宙的这种残酷和不可改变的属性,称为“时间之箭”,从根本上说是热力学第二定律的结果,它决定了系统随着时间的推移总是会变得更加无序。但最近,来自美国和俄罗斯的研究人员已经弯曲了一点箭头 - 至少对于亚原子粒子。

在周二(3月12日)发表在“ 科学报告 ”期刊上的这项新研究中,研究人员使用由两个量子粒子(称为量子比特)组成的非常小的量子计算机来操纵时间之箭,这些量子计算机进行了计算。

在亚原子尺度上,量子力学的奇怪规则占据主导地位,物理学家通过称为波函数的数学结构来描述系统的状态。该函数表示系统可能处于的所有可能状态 - 即使是粒子,它可能存在的所有可能位置 - 以及系统在任何给定时间处于任何这些状态的概率。一般来说,随着时间的推移,波函数展开; 如果你等待一个小时,比你等待5分钟,粒子的可能位置可能会更远。

撤消波函数的传播就像试图将溢出的牛奶放回瓶中一样。但这正是研究人员在这个新实验中所完成的。

“伊利诺伊州阿贡国家实验室的物理学家,首席研究员瓦列里·维诺库尔告诉杏彩世界,”基本上没有机会发生这种情况。“ “就像那样说,如果你给猴子打字机和很多时间,他可能会写莎士比亚。” 换句话说,它在技术上是可能的,但不太可能,这可能是不可能的。

科学家是如何实现基本上不可能的?通过仔细控制实验。

悉尼大学物理学教授斯蒂芬巴特利特告诉杏彩世界,“你真的需要很多控制才能让茶杯的所有碎片重新组合起来。” 巴特利特没有参与这项研究。“你需要对系统进行大量控制才能实现这一目标......量子计算机可以让我们对模拟量子系统进行大量控制。”

研究人员使用量子计算机模拟单个粒子,其波函数随着时间的推移而像池塘中的波纹一样展开。然后,他们在量子计算机中编写了一个算法,该算法逆转了波函数的每个单个分量的时间演化,基本上将该波纹拉回到创建它的粒子中。他们完成了这项壮举而没有增加宇宙中其他地方的熵或紊乱,似乎无视时间之箭。

这是否意味着研究人员制造了时间机器?他们违反了物理定律吗?这两个问题的答案都是肯定的。热力学第二定律说宇宙的秩序必须随着时间的推移而减少,但并非在非常特殊的情况下永远不会保持不变。而且这个实验足够小,足够短,控制得足以让宇宙既没有获得也没有能量损失。

“一旦它们被创造出来,在池塘上发送波浪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,有可能当他们使用量子计算机给他们的控制来消除时间的影响。

运行程序后,系统在85%的时间内恢复到原始状态。但是,当引入第三个量子比特时,实验只有50%的时间成功。研究人员表示,系统的复杂性可能会随着第三个量子比特而增加太多,这使得量子计算机更难以保持对系统各个方面的控制。如果没有这种控制,就不能控制熵,因此时间反转是不完美的。他们的目标仍然是更大的系统和更大的量子计算机用于他们的下一步。

“这项工作是对物理学基础的一个很好的贡献,”新罕布什尔州达特茅斯学院物理学教授詹姆斯惠特菲尔德说,他没有参与这项研究,他告诉Live Science。“它提醒我们,并非所有量子计算应用都必须面向应用才有意义。”

“这正是我们制造量子计算机的原因,”巴特利特说。“这表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。”
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