量子尺度时间能否倒流？
物理学家探索可能性
如果时间倒流会怎样？物理学家展示了时间如何在量子尺度上逆向流动
理论物理学家已经弄清楚如何在量子系统中逆转时间箭头。
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时间之箭向前行进。鸡蛋不会复原；牛奶不会倒回。但现在新研究发现了一种方法，可以在量子系统中逆转这一时间之箭，让事件反转，仿佛时间在倒流。
洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家、发表在《物理评论X》期刊上的这项新研究的第一作者路易斯佩德罗加西亚平托斯表示，这些发现目前还处于理论阶段，但可以通过实验进行验证。
英国萨里大学的物理学家安德里亚罗科没有参与这项研究，他表示，从根本上说，在量子层面逆转时间可能会阻止阻碍量子计算机的信息丢失。这将立即为这些量子技术的构建带来不可思议的优势。
相关知识
量子尺度是微观粒子（如电子、原子、光子等）活动的典型空间范围，通常在纳米级以下，甚至达到皮米、飞米量级。在此尺度下经典物理规律失效，量子力学的叠加态、纠缠等特性凸显，是量子计算、量子通信等前沿技术的研究核心。
时间逆转的想法并不新鲜。19世纪物理学家詹姆斯克拉克麦克斯韦曾提出一个思想实验，试图逆转热力学第二定律——该定律认为系统的总熵（衡量无序程度的指标）不会随时间减少。根据这一定律，热量总是从较热的物体流向较冷的物体，这反过来会增加较冷物体的熵。任何在雪天泡过一杯热巧克力暖手的人都能证明这一定律的存在。但由于随机概率，热物体中总会有一些运动缓慢的分子，冷物体中总会有一些运动快速的分子。这意味着一个外部实体——即麦克斯韦妖——理论上可以有选择地将这些分子从一个物体驱赶到另一个物体，把运动较快的分子重新归到热物体，运动较慢的归到冷物体。这样，热物体就会变得更热，冷物体变得更冷。对观察者来说，这看起来就像事物的常规顺序在逆转：你的热巧克力杯会从你的手中吸走热量。
世界上并没有什么小恶魔在摆弄热巧克力杯。但在微小的量子系统中，存在一种外部控制的因素。量子系统包含所有微小的粒子，比如原子和电子，它们的行为遵循量子力学的规律。在这些规律下，测量量子系统会改变它：在观测之前，系统可以同时处于多种状态，这一概念被称为叠加态。换句话说，粒子的自旋、动量和其他属性尚未确定。但测量会使这种叠加态坍缩，产生一个确定的结果。
通过计算机模拟，加西亚平托斯及其同事发现，通过了解量子系统的初始状态和测量后的结果，他们可以逆转时间箭头。对于外部控制器，研究人员构建了一系列场和脉冲，以瞬时将虚拟系统恢复到初始状态，在某些情况下，还能将其推向相反的结果。这种被称为哈密顿量的控制序列，就像麦克斯韦妖一样，能将本应不可逆的事件序列从正向翻转到反向。
我们正在模拟一个时间倒流的宇宙，加西亚平托斯说。
这些哈密顿控制可用于制造连续测量引擎。加西亚平托斯表示，测量输入量子系统的能量可通过哈密顿量立即回收，并存储在电池中为其他过程供电。另一个应用可能是逆转量子退相干——这是一种量子系统因与外界环境相互作用而失去其特殊量子行为并转变为经典系统的现象。罗科指出，退相干是量子计算的主要障碍，因此朝着使其可逆迈出的一步将具有重要意义。
不过，加州大学伯克利分校的实验物理学家卡特默奇（KaterMurch）表示，前方仍有挑战。默奇并未参与这项研究，他指出，在实践中构建这些哈密顿量需要无信息损失的完美测量。不过，完美测量是不可能的。目前，研究人员通过向量子系统发射光学或微波光束，然后收集这些光以观察其成分如何变化来测量量子系统的特性。但他表示，他们收集返回光以观察系统变化的效率仅约为50％，这意味着一些细节是模糊的。既然我们丢失了部分测量信号，就无法准确追踪量子系统正在做什么，他说。这意味着，在研究人员能够构建完美的哈密顿量以在真实量子系统中逆转时间之前，他们必须提高测量能力。
相关知识
量子尺度通常指原子、亚原子粒子等微观粒子所处的尺度范围，一般在纳米级以下（约10^9至10^15米）。在这个尺度下，经典物理规律不再适用，量子效应（如叠加态、量子纠缠）成为主导，是量子计算、量子通信等前沿技术的研究基础。
BY: Stephanie Pappas
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参考资料
1.WJ百科全书
2.天文学名词
3.原文来自： https://www.scientificamerican.com/article/the-quantum-arrow-of-time-can-be-reversed-physicists-show/
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