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。