量子时间沙漏是干嘛的（汇集八篇）

记者从中国科技大学获悉，国际期刊《科学》近日刊登了该校杜江峰院士领导的研究团队的最新成果。他们在世界上首次观察到宇称时间对称性。这种观察方法及其过程突破了传统的量子系统控制方法，加深了对量子系统之间相互作用的理解，帮助人们更好地理解微观世界的奇妙本质。

四方一直在谈论于，自古以来他们一直在谈论周。在浩瀚的宇宙中有无数平凡或奇妙的对称。代表空间的宇宙和代表时间的宇宙也是一对对称。如果物质同时满足时间和空间对称性，科学家认为它们满足宇称时间对称性。为了研究物质的各种奇妙性质，科学家们将使用各种方法来控制宇称时间对称状态。

经典物理世界已经实现了宇称时间对称性的调节。但是在量子世界，这是一个巨大的问题。量子力学理论决定了在量子系统中实现奇偶时间对称态路径是非常困难的。例如，在量子力学的世界里，小李需要走过一条荆棘丛生、又窄又泥泞的道路，才能成为与她现在的时间和空间对称的自己。作为一个赤手空拳的小女孩，小李几乎不可能做到。

杜江峰院士的实验室近年来一直致力于单自旋系统的量子控制。荣兴教授和吴洋博士控制了作为系统钻头的金刚石中氮空位缺陷的电子自旋。他们巧妙地添加了核自旋作为辅助位，实现了电子自旋的宇称时间对称控制，完成了这一领域的“零突破”。聪明的物理学家建造了一个特殊的小世界，还创造了小啊明。小明拉着小李的手，把他带到了一条完全不同的路上。虽然这条路曲折而奇怪，但它意味着对称。

杜江峰院士评论说:“这项工作为进一步研究非传统量子系统描述的新物理奠定了坚实的基础。”

北京时间6月25日，根据英国《每日邮报》的报道，如果一个时间旅行者在时光机器里回到过去，阻止他/她的祖父母在那里见面，他/她能在未来出生吗？

澳大利亚昆士兰大学的研究人员假设时间旅行，研究了两个光子的相互作用。结果表明，从光子水平的时间旅行应该是可能的。

虫洞理论上被认为是时间和空间上可能的捷径。剑桥大学的卢克·布彻教授之前领导的一项研究认为，细长的虫洞可能会保持足够长的时间，让人们能够利用光子在时间和空间上传输信息。

这就是臭名昭著的“祖父悖论”，它经常被用来证明时间旅行的不可能性。然而，一些科学家有不同的观点。

最近，一组科学家通过计算机模拟演示了时间旅行的光子行为。结果证明祖父悖论可以在量子水平上解决。这项研究由澳大利亚昆士兰大学的一个研究小组进行，研究结果发表在《自然通讯》杂志上。

在这项研究中，光子或光的单个粒子被用来模拟粒子在时间中的运动。通过对光子行为的研究，科学家们发现了现代物理学的一些奇异的方面。在模拟中，研究人员检验了光子在时间中传播的两种可能结果。科学家想知道这个光子和早期的“自我”之间会发生什么？

在实验中，科学家使用了一个密切相关的虚拟场景:假设一个光子穿过正常的时间和空间，并与另一个被困在一个叫做封闭类时曲线(CTC)的虫洞中的光子相互作用。对第二个光子行为的模拟使他们能够知道第一个光子的行为——结果表明，如果第二个光子准备充分，就有可能引导第一个光子相应地改变。要在量子水平上运行，你必须尝试选择尽可能小但可以单独存在的粒子，比如光子。

然而，在时间和空间旅行的宏观意义上会有一个严重的悖论。1991年，科学家们首次提出时间旅行可以在量子水平上实现的想法，因为量子粒子的行为不能用经典物理学来描述。参与最新研究的主要科学家之一蒂莫西·拉尔夫教授说:“这些粒子的量子效应很难研究，所以这给了它们足够的空间来避免时间旅行中可能出现的悖论。”

这个实验的结果也有助于科学家们更清楚地理解适用于最大尺度和最小尺度的两个理论体系是如何相互联系的。昆士兰大学博士生马丁·林鲍尔说:“时间旅行的话题正好触及了两个最成功但不相容的物理系统之间的接口，即爱因斯坦的相对论和量子力学。”他说:“爱因斯坦的理论描述了大尺度的世界——恒星和星系。量子力学是对最微观世界的极好描述。爱因斯坦的理论暗示了回溯时间的可能性。从理论上讲，时间旅行者可以沿着时空路径回到同一空间的较早点——所谓的封闭类时曲线(CTC)。

自从奥地利裔美国人库尔特·哥德尔在1949年首次提出这个想法以来，它就一直困扰着物理学家和哲学家，因为从经典物理学的角度来看，这无疑会构成一个悖论。这包括所谓的“祖父悖论”，即时间旅行者可以回到过去，阻止他的祖父母结婚，从而使时间旅行者本身不可能诞生。这样，这个时间旅行者就不可能开始时间旅行。

然而，这项最新的研究认为这种相互作用可能真的是可能的，尽管只是在量子水平上。

传统观点认为，你过去经历的事件会影响现在的状态，改变你的未来，但不会影响量子世界。粒子的未来状态会影响过去，为时间旅行留下了伏笔。

负责这项研究的科学家是基特美施教授，他设计了一个精密的实验过程来研究粒子的未来状态，从而改变过去的量子状态。基默克教授构想了一种微波光子回路装置。当微波光子被送入该装置时，我们可以测量它们的量子态。此时，这些光子的量子场将与环相互作用，并且在光子离开环之后可以获得关于量子系统的信息。在这个过程中，微波光子前后的量子位处于两种叠加状态，然后科学家测量系统并评估可能的结果。

实验结果表明，量子世界中的时钟与经典世界中的时钟完全不同，前者是落后的，后者是走向未来的。如果我们对实验做一些改进，量子态的测量结果在一定程度上包含了未来和过去的信息。由此，我们可以看到，量子世界中的时间箭头可能有两个方向，可以回到过去，也可以进入未来。然而，在古典世界里，时间之箭只能指向未来。科学家认为，为什么现实世界中仍有许多粒子在未来只朝时间的方向运动，这仍然不清楚。熵总是在增加。也许这个问题可以在几年内解决。

英国科学家朱利安·巴伯博士和其他人也在试图解决这个问题。他们认为在大爆炸的瞬间，宇宙也产生了镜像宇宙。这个宇宙的时间方向是向后的，就像镜子的内外，两者是相反的。然而，它们可能有相同的物理定律，所以镜像宇宙也可能有行星、恒星和星系。里面所有的宏观和微观材料都和我们的宇宙版本一样，只是时间箭头的方向相反。

据国外媒体报道，一种全新的量子计算技术可能会彻底改变宇宙中的时间流模型。

很长一段时间以来，我们一直相信时间只会朝一个方向流动，几乎不会有反向流动。在日常生活中，的确如此，就像周二之后的周三和2018年之后的2019年一样，年轻人会变成老年人。经典计算机领域也是如此。因此，笔记本电脑上的软件更容易预测复杂系统的未来发展趋势，但推测系统过去的活动则困难得多。宇宙有一个被理论家称为“因果不对称”的特征。根据这一特征，在一个时间方向上向前移动将需要比在另一个方向上更多的信息和更复杂的操作。(从实际的角度来看，随着时间的推移，向前推进会更容易。)

但是这个特点在现实生活中也有一定的影响。气象学家可以利用今天的天气雷达数据来更准确地预测未来五天的降雨概率。但是如果他们想用同样的数据来猜测过去五天是否下雨，挑战要大得多，需要更多的数据和更强大的计算机。

信息理论家一直怀疑因果不对称可能是宇宙的一个基本特征。早在1927年，物理学家阿瑟·爱丁顿就指出，正是这种不对称性决定了我们只能沿着时间前进，而不能后退。如果你认为宇宙是一台不断执行操作的巨大计算机，向前移动总是更容易(首先是原因，然后是结果)，并且需要更少的资源，而向后移动则更难(首先是结果，然后是原因)。这就是所谓的“时间箭头”概念。

然而，最近发表的一篇新论文指出，时间箭头可能是经典计算技术的产物。它显示这种规则的原因可能只是因为我们的工具有限。

一组研究人员发现，在某些情况下，量子计算机中的因果不对称会消失，因此量子计算机可以以完全不同的方式运行。在经典计算机中只有两种信息存储状态(非0表示1)，但在量子计算机中没有。信息储存在亚原子粒子中。这些粒子有独特的操作规则，可以同时处于多种状态。更吸引人的是，这篇论文还指出，将来可能会有研究证明宇宙中不存在因果不对称。

这是怎么发生的？

非常有序或非常随机的系统很容易预测。(例如，钟摆是一个有序系统，充满房间的气体云是一个无序系统。在本文中，研究人员分析了两者之间的系统——既不一致也不混乱。(例如，天气系统正在形成。(该研究的合著者、新加坡国立大学研究量子信息的复杂性理论家和物理学家杰恩·汤普森指出，计算机很难理解这样的系统。

然后，他们试图在理论量子计算机(不是物理计算机)的帮助下推测这些系统的过去和未来。与经典计算机相比，这些量子计算机模型不仅占用更少的内存，而且可以在不占用更多内存的情况下实现时间序列的双向运算。换句话说，在这些量子模型中没有因果不对称。“经典计算机可能不会以相反的顺序运行，”汤普森说，“但我们的结果表明，从‘量子力学’的角度来看，这种计算过程可以朝任何一个方向运行，并且只占用很少的内存。”

汤普森还指出，如果量子计算机具有这一特性，那么整个宇宙也应该如此。

量子物理学研究宇宙中所有微小粒子的奇特概率行为。既然宇宙是由这些微小的粒子组成的，如果它们都符合量子物理定律，那么宇宙本身也应该符合，尽管一些更奇特的效应可能难以察觉。因此，如果量子计算机可以在没有因果不对称的情况下运行，那么宇宙也应该如此。当然，观察这些证据并不等同于观察现实世界中的相应效果。然而，在我们能够开发出一台先进到足以运行论文中描述的模型的量子计算机之前，我们还有很长的路要走。

汤普森还指出，这项研究没有证明宇宙中不存在因果不对称。尽管她的研究结果和她的同事的研究结果表明，这一特征在许多系统中并不存在。但是她也说一些因果不对称可能存在于一些非常基本的量子模型中。"我对此仍持观望态度。"汤普森说。

但这只是暂时的。

汤普森说，他们研究的下一步是找出量子模型中是否存在因果不对称。这篇发表的论文并不意味着时间不存在，也不意味着我们可以让时光倒流。然而，这项研究表明，在我们对时间和因果的理解中有一个关键的组成部分，这不是科学父母长期以来所相信的，甚至可能完全相反。然而，这一发现如何影响时间的形式和我们的日常生活仍然是未知的。

汤普森指出，这项研究的实际效果是，它证明了未来的量子计算机可以很容易地模拟过去和未来的条件(如天气)。对于目前的经典计算机模型，这肯定会引起很大的变化。

对于时间箭头的存在，量子力学给了我们饶有兴趣的启示。如我们将会看到的，它认为时间的流逝是由某种非常简单的事情决定的：即我们自己对于变化的观测。它揭开了原子世界的奥秘，显示了有一种极其微小的粒子（长寿 K 介子），其存在表示时间是不可逆的。但是物理学家们仍然在为此争论不休：这确实是一个基本线索呢，还是一种风马牛不相及的东西。有一件事倒是很清楚——量子世界中到处都是问题和佯谬。例如，这个新理论在许多方面仍然在步它的前任的后尘，时间似乎是既可以向前又可以向后。它认为事件会无休止地重复出现，但同时也支持这样的观点，即锅里的水决不会自发地沸腾。它认为，一只猫在同一时刻既是活着又是死了，而且有些东西在同一瞬间，既是无处不在又是无处在。它是一种如此奇怪的理论，许多帮助它创立的科学家——其中包括爱因斯坦——后来极力要与它脱离关系。在它创立了几十年之后的今天，对于量子论究竟意味着什么，仍然有许多不同的看法。

量子论涉及的是物质在最微小的尺度上的性质，这其中包括原子，

它是化学元素的最小单位。在试图描述世界在这种微观层次上的行为

时，我们发现牛顿力学不能用了。和它在相对论涉及的高速大质量物体

情况下的失效相比，牛顿力学在处理微观世界情况下的失效更为明显。

与此相反，量子论却在原子层次取得了非凡的成功。我们对化学反应、

激光、晶体管和作为现代计算机技术基础的二极管的详尽知识，都依赖

于量子论。今天，原子的存在看来是没有争议的了——原子和分子的图

像甚至可以借助于场离子、电子或者扫描隧道显微镜而看到（见彩图

页）。但是人们很容易忘记，对原子存在的争议其实还是不久以前的事。

虽然原子论的思想古代就产生了，但多少个世纪以来，它一直受到压制。

原子的史话也许始于大约公元前 500 年爱琴海的一个海港阿布德拉。两位原子论的先驱者，一位是哲学家卢西普斯（Leu-cippus），另一位是他的学生，阿布德拉的德谟克利特（De-mocritusofAbdera）。他们的观点与现代科学观点并没有太显著的差异。他们认为，世界是由微小的、看不见的而且不能够再缩小的物体所组成——这些物体只是在外形和大小上有区别——它们在无限的真空中处于永恒的运动状态。他们把这种物质实体称之为原子，意思是不可再分的，并且认为一切物体，

从桌子到海龟，都是由于原子的偶然碰撞而形成的。原子论者还用原子来解释感觉现象，例如味觉和嗅觉。不幸的是，由于柏拉图和亚里士多德的影响，原子论被人们遗忘了。这几位西方哲学之父主张，物质可以被无限地分割，不存在不能再被进一步分割的最小单元。原子论于是被打垮，在阴影之下度过了二千五百年。

为什么原子论又东山再起了呢？这主要归功于一位名叫道尔顿

（JohnDalton）的教友派教师，他 1766 年出生于昆布兰郡的依格列斯菲尔德城。他在 1808 年到 1827 年间写的、题目为“化学哲学的新体系”的两卷体专著，使原子论得以新生，并且成了现代化学的奠基著作。道尔顿认识到，原子有助于解释越来越多的科学现象，包括气体的行为和一种物质到另一种物质的化学变化。道尔顿认为，原子是物质最小的不可再分的单元，并仍然具有这种物质的化学性质。他主张，化学反应只不过是这些物质的基本“砖块”的分离和组合。今天我们通常把这些“砖块”称为分子——它们是原子可以参与化学反应的最低组合。例如，水分子就是由两个氢原子和一个氧原子组成的。

开始的时候，其他化学家对道尔顿的主张将信将疑。他们了解他的想法，但是并不认为原子确实存在，所以只是把原子作为一种方便的工具，用来解释他们的实验数据。法国化学家杜马斯（ Jean BaptisteDumas）甚至说，“假使我能做主的话，我会把原子这个词从科学上抹掉。”然而过了一段时间，化学家和物理学家们开始认识到，他们已经积累了许多独立的证据，这些证据毫不含糊地倾向于原子论。当时，争论的焦点主要是气体和所谓的动力论，即用原子和分子来解释气体性质的理论。物理学家们，像麦克斯韦和玻耳兹曼，提出了简单的模型来解释气体对容器的压力。他们把气体形容为像台球那样的一群刚性球的集合，它们不停地快速撞击容器的器壁，这种碰撞过程可以用牛顿力学来描述。气体的性质用构成气体的原子和分子的运动来解释。压力可以很容易地从刚性球碰撞容器壁的速率计算出来。热是分子快速随机运动的结果：气体越热，分子的运动也越快。

但是对于像马赫和德国物理化学家奥斯特瓦尔德

（WilhelmOstwald）这样的死硬派原子论反对者来说，这些还仍然不足以说服他们。作为实证主义者，他们强调说，谈论一个无法直接看到的世界是毫无意义的。原子论者所需要的，是能够直接展现在怀疑者眼前的分子作用事例。到 1905 年他们认识到，有一个事例早就可以用了，它在道尔顿那个时代就已经被发现。这就是所谓的“布朗运动”——悬浮在水中的很小的花粉（以及尘埃或煤烟）颗粒，像跳舞那样的运动。早在 1827 年，苏格兰植物学家布朗（RobertBrown）就曾经在显微镜下观察过这种作用，但是对此一直没有令人信服的解释。直到爱因斯坦，才对这个问题的研究做出了独特而卓越的突破。他解释说，布朗运动是由

于悬浮的颗粒，与它们周围看不见的水分子的随机碰撞。

这是物质原子论的一个有力证明。但是那时候经典的原子概念——像卢西普斯和德谟克利特所设想的那样——已经过时了。它已经在十九世纪将近结束的时候，被放射性的发现所取代。1895 年，德国物理学家伦琴（ Wilhelm Röntgen）偶然间发现了一种神秘的射线，他把它叫做 X 射线。第二年，法国的贝克勒尔（Henri Becquerel）在研究 X 射线的时候，探测到有很强的辐射从铀的化合物中发射出来。由波兰化学家玛丽·居里以及其他人所做的后继工作，把这些零散的发现汇总到一起，从而发现有些元素的原子，可以衰变为化学性质完全不同的其它元素。放射性元素的这种变化——几乎类似于中世纪的炼金术士们所梦寐以求的——在 1902 年由卢瑟福（Ernest Rutherford）和索迪（Frederick Soddy）用定律的形式清楚地表述出来。从这一点上说，现代的物质原子论已经同古代沿袭下来的观念断绝了关系，因为现代原子论表明，原子本身具有结构，而且可以被进一步分割。

量子光学硬盘诞生：存储时间提高100倍

近日科学家们研发了一款量子硬盘原型，后者的存储时间可以提高100倍。科研小组记录的6小时存储时间是朝基于量子信息的安全的全球数据加密网络迈出的重大一步，这一网络可以用于银行交易以及个人邮件。

“我们相信很快就能在全球任何两点之间分布量子信息。”研究首席作者、澳大利亚国立大学(ANU)物理学与工程研究院(RSPE)的钟满金(Manjin Zhong)这样说道。“量子状态是非常脆弱的，一般会在毫秒之内翻转。我们实现的更长存储时间具有革命化量子信息传输的潜力。”

量子信息蕴含了无法破解的加密的潜力，因为量子粒子，例如光子可以以特定方式产生以实现内在的相连。每一对纠缠粒子之间的相互作用都会影响彼此，无论它们相隔多远。

澳大利亚国立大学和新西兰奥塔哥大学的物理学家小组将量子信息存储在位于晶体内的罕见地球元素铕原子里。他们的固态技术可以作为在光纤里使用激光方法的非常有前景的替代品，后者现被用于创造大约100千米长的量子网络。

“我们(实现)的存储时间非常长，这意味着人们需要重新思考分布量子数据的最佳方法。”钟说道。“即使是以行人的速度传输我们的晶体，在特定距离内我们的方法的损失也比激光系统要更少。我们现在可以设想在单独的晶体里存储纠缠的光，然后将它们运输到网络里相距几千千米的不同部分。也就是说，我们将这些晶体当做用于量子纠缠的可携带的光学硬盘。”

利用激光在铕核自旋上写下量子状态后，研究小组将晶体放在一个固定和振荡磁场的结合体内以保存脆弱的量子信息。“这两个场隔离了铕自旋，从而防止量子信息泄露。”奥塔哥大学的杰文·兰德尔(Jevon Longdell)博士这样说道。澳大利亚国立大学的研究小组对量子光学硬盘可以实现的量子力学的基本测试感到非常兴奋。“我们从未有机会探索如此长距离的量子纠缠，”研究小组负责人、助理教授马修·塞拉斯(Matthew Sellars)这样说道。“我们应该一直努力测试理论是否与现实相吻合。也许在这个新的体制里，我们的量子力学理论也会出现意想不到的问题。”

根据英国报纸《独立报》(The Independent)最近的报道，由美国、瑞士和俄罗斯科学家组成的国际研究小组在《科学报告》(Science Report)杂志上写道，他们首次利用量子计算机逆转了“时间之箭”的方向。这一突破性的研究违背了常识，可能会改变我们对宇宙机制和过程的理解，也有望促进量子计算机的发展。

研究人员说，热力学第二定律告诉我们，时间是线性的，只能朝一个方向运动。系统总是从有序走向无序，而不是相反。但是在最近的实验中，他们使用量子计算机来“倒转”时间，就像散落在桌子上的台球回到了他们最初三角形排列的起点。

“我们已经人为地创造了一种与热力学时间箭头方向相反的进化状态，”首席研究员、MIPT物理科学与技术研究所量子信息物理实验室主任戈尔德·莱斯维杰博士说

他们正在使用由电子“量子位”组成的量子计算机。量子比特是量子计算机的基本信息单位，用“1”、“0”或两者的混合“叠加”来描述。

在实验中，他们启动了一个“进化程序”，将量子比特置于一个逐渐复杂的1和0变化状态。在这个过程中，量子位失去了秩序，就像台球被击中并散落在各处一样。但是随后另一个程序修改了量子计算机的状态，使其从混沌“向后”进化到有序，这意味着量子位回到了它们的原始状态。

研究人员发现，当使用两个量子位时，“时间反转”的成功率为85%。当使用3个量子位时，成功率下降到50%。他们认为，随着所用设备的日益复杂，错误率有望降低。

他们还说，该实验也有望促进量子计算机的发展。“我们的算法可以更新，并用于测试为量子计算机编写的程序，以消除噪音和错误，”刘易斯说。

在我们给时间的方向寻找科学依据时，统治原子分子世界的量子论看上去似乎较有希望。量子论很成功地，同时也很令人不解地，描述了原子分子的各种奇行性迹。它能解释激光、核反应器中的亚原子、计算机里的电子，和许多其它东西的行为。我们从组成这个世界的原子分子大聚合的量子描述里，也许可以给我们有切肤感受的时间之箭，找到一个量子描述。这个想法来自一个很辉煌的传统。自从希腊文化的黄金时代以来，用组成世界的原子分子来描述世界——这部名为“归化原子法”的哲学遗产，在科学思想的发展中，占有至高无上的地位。

本书第四章将提到有两个棘手的问题：一是名为“长寿 K 粒子”的奇案，二是量子论中测量本身就是一个难解之迷。从这两点我们似乎能瞥见到一个时间的量子箭头。可是，量子论的中心思想是跟随其它“基本”理论的，是不分时间的两个方向的。就和爱因斯坦的相对论一样，量子论也有严重的内症：用它处理实际问题时，譬如原子如何吸光、如何发光，它就会爆出许多令人头疼的无穷大。虽然物理学家已理出一套能躲开这些无穷大的诀窍，我们也难免觉得内中大有蹊跷。

量子力学和爱因斯坦的相对论两虎不能容于一山。有些科学家像牛津大学的彭罗斯（Roger Penrose）相信，这两门理论如果真正统一了，就会出现一个量子引力理论，或者什么新的理论，其中时间之箭是明文规定的。这一步看上去一时还不能实现，并且很可能仍有不足之处。这是因为目前有一个危险，就是把我们的科学世界观，死死地建造在具有时间可逆性的，原子、分子、粒子和场的微观层次上，而这个层次到底

不是直接观测到的。正如诺贝尔奖获得者普里高金（Ilya Prigogine）所说：“尽管物理大师跟我说了，我总还是不明白，怎么能从可逆性里得出我们宇宙、文化和生命的演化形式。”