編輯：David
【新智元導讀】與那些時空穿梭的科幻電影不同，在量子領域，物理學家們已經實現了雙向的「粒子時光機」。
如果有人告訴你，現在有一臺時光機，還是可以雙向傳送的那種，能夠翻轉過去和未來，你信不信？
實際上，這個「時光機」早就在科學家的實驗室中研究了不少日子了，只不過它的乘客并不是人類，而是粒子。
更確切地說，是光子。就像人類變成狼人時，狼人也變成了人類。在精心設計的電路中，這些光子的行為就像時間在向前和向后的量子組合中流動一樣。
蘇格蘭格拉斯哥大學的量子物理學家索尼婭弗蘭克-阿諾德（Sonja Franke-Arnold）說：「這是有史以來第一次，我們有了一臺類似雙向時間旅行的機器。
遺憾的是，對于科幻小說迷來說，這些設備與1982年的DeLorean沒有任何共同之處。在由中國和奧地利的兩個獨立團隊進行的整個實驗過程中，實驗室的時鐘繼續(xù)穩(wěn)定地向前跳動。
只有飛過電路的光子經歷了時間上的詭異變化。而且，研究人員還在爭論這個「時間之箭的翻轉」是真的還是模擬的。
不過，這種令人困惑的現象可能會導致新型的量子技術的出現。
顛覆時間的概念
十年前，物理學家在十年前首次意識到，量子力學的奇怪規(guī)則推翻了常識中的「時間」概念。
是這樣的。當你尋找一個粒子時，你總是在一個單一的、類似于點的地方檢測到它。
但在被測之前，一個粒子的行為更像是一種波，表現為一個 「波函數」，在多條路線上擴散和振動。在這種未定的狀態(tài)下，粒子存在于一種被稱為「疊加」的可能位置的量子態(tài)中。
在2013年發(fā)表的一篇論文中，現任職于香港大學的物理學家朱利奧奇里貝拉（Giulio Chiribella）等提出了一種電路，可以將事件放入時間順序的疊加中，這比空間中的位置疊加更進一步。
四年后，魯比諾和她的同事直接用實驗證明了這個想法。他們將一個光子送入兩條路徑的疊加中：
在一條路徑中，光子先經歷事件A，然后是事件B，另一條路徑中，先經歷事件B，然后經歷事件A。在某種意義上，每個事件似乎都會引起另一個事件，這種現象后來被稱為不確定的因果關系。
奇里貝拉和他的同事并不滿足于在時間前進的過程中僅僅擾亂事件的順序，接下來他們瞄準了時間本身的行進方向，或者說箭頭。他們尋求一種量子儀器，在這種儀器中，時間進入了從過去到未來的疊加狀態(tài)，反之亦然--一種不確定的時間之箭。
要做到這一點，研究人員意識到，他們需要一個可以進行相反變化的系統，就像一個節(jié)拍器的手臂可以向左或向右擺動一樣。
他們設想將這樣的系統置于疊加狀態(tài)，就像一位音樂家同時向右和向左撥動一個「量子節(jié)拍器」一樣。
設想提出以后，光學奇才們立即開始在實驗室里構建模型。去年秋天，兩個團隊陸續(xù)宣布構建成功。
「兩點式」游戲
研究人員設計了一個只有量子兩面手才能勝任的游戲。用光子來玩這個游戲需要將光子發(fā)射到兩個晶體小工具，A和B。向后通過小工具會使偏振以恰好相反的方式旋轉。
在每一輪游戲之前，「裁判員」秘密地將小工具設置為兩種方式之一。向前穿過A，然后向后穿過B的路徑，會使光子的波函數相對于時間反轉的路徑（向后穿過A，然后向前穿過B）發(fā)生移動，反之則不會。
在這場游戲中，玩家必須弄清楚裁判員做出了哪種選擇。在玩家隨心所欲地安排好小工具和其他光學元件后，將一個光子送過迷宮。
光子最終會出現在兩個探測器中的一個。如果玩家以足夠巧妙的方式設置了他們的迷宮，那么擁有光子的探測器的點擊就會顯示出裁判的選擇。
當玩家設置了電路，使光子在每個小工具中只有一個方向移動，那么，即使A和B的因果順序不確定，探測器的點擊最多只有大約90%的時間與秘密小工具的設置相符。
只有當光子經歷了一個疊加，使其向前和向后穿過兩個小工具時（一種被稱為「量子時間翻轉」的現象），才能在理論上贏得每一輪實驗。
去年，位于中國合肥和奧地利維也納的兩個團隊都建立了各自「量子時間翻轉」電路。經過100萬輪的測試，維也納團隊將游戲成功率提升至99.45%。另一個團隊則在99.6%的回合中獲勝。
這兩個結果都打破了理論上90%的限制，證明了實驗模型中光子經歷了兩個對立變換的疊加，因此代表時間方向的箭頭是不確定的。
解讀「時間翻轉」
雖然研究人員已經執(zhí)行并命名了量子時間翻轉，但他們對哪個詞最能體現他們的工作，觀點并不完全一致。
在奇里貝拉看來，這些實驗模擬了「時間之箭」的翻轉。實際上真正的翻轉，需要將時空結構本身排布成兩種幾何形狀的疊加，其中時間指向不同的方向。
他說：「很明顯，從這個角度出發(fā)，這個實驗并沒有實現真正的時間翻轉�！�
另一個團隊認為，這些電路的最大意義是，在模擬時空方面邁出了重要的一步。研究人員表示，光子的可測屬性的變化，與它們通過兩個時空幾何形狀的真正疊加時的變化完全一致。
而在量子世界中，在可測物之外沒有任何現實�！敢簿褪钦f，從狀態(tài)本身來看，模擬和真實的東西之間沒有區(qū)別�！�
沒有反轉時間？也沒關系
而無論如何，物理學家都希望，這個設計同時以兩種方式流動的量子電路的能力可能會使量子計算、通信和計量學的新設備成為可能。
法國Néel研究所的量子信息理論家Cyril Branciard說：「這讓你可以做更多的事情，而不僅僅是以一種順序操作�！�
一些研究人員推測，量子時間翻轉的時間旅行味道可能使未來的量子「撤銷」成為可能。還有人預計，同時在兩個方向運行的電路可以使量子機器更有效地運行。
還有研究人員表示：「可以把這種模型用于游戲，減少所謂的查詢復雜度�！顾傅氖菆�(zhí)行某些任務所需的步驟數量。
這樣的實際應用還遠未得到保證。雖然時間翻轉電路在Chiribella和Liu的猜謎游戲中打破了理論上的性能極限，但那是一個高度設計的任務，只是為了突出它們比單向電路的優(yōu)勢，距離實際應用還非常遙遠。
但怪異的、看似小眾的量子現象卻有證明自己有用的訣竅。知名物理學家安東齊林格曾認為，量子糾纏-分離的粒子之間的聯系無法帶來任何好處。
今天，量子糾纏將新生的量子網絡中的節(jié)點和原型量子計算機中的量子比特聯系在了一起，齊林格對這一現象上的研究為他贏得了2022年諾貝爾物理學獎。而對于量子時間的可翻轉性問題，現在仍處于非常早期的階段。
參考資料：
https://www.quantamagazine.org/how-quantum-physicists-flipped-time-and-how-they-didnt-20230127/
