如果有人告訴你，現(xiàn)在有一臺(tái)時(shí)光機(jī)，還是可以雙向傳送的那種，能夠翻轉(zhuǎn)過(guò)去和未來(lái)，你信不信？

實(shí)際上，這個(gè)「時(shí)光機(jī)」早就在科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室中研究了不少日子了，只不過(guò)它的乘客并不是人類，而是粒子。

更確切地說(shuō)，是光子。就像人類變成狼人時(shí)，狼人也變成了人類。在精心設(shè)計(jì)的電路中，這些光子的行為就像時(shí)間在向前和向后的量子組合中流動(dòng)一樣。

蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)的量子物理學(xué)家索尼婭·弗蘭克-阿諾德（Sonja Franke-Arnold）說(shuō)：「這是有史以來(lái)第一次，我們有了一臺(tái)類似雙向時(shí)間旅行的機(jī)器。

遺憾的是，對(duì)于科幻小說(shuō)迷來(lái)說(shuō)，這些設(shè)備與1982年的DeLorean沒(méi)有任何共同之處。在由中國(guó)和奧地利的兩個(gè)獨(dú)立團(tuán)隊(duì)進(jìn)行的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)室的時(shí)鐘繼續(xù)穩(wěn)定地向前跳動(dòng)。

只有飛過(guò)電路的光子經(jīng)歷了時(shí)間上的詭異變化。而且，研究人員還在爭(zhēng)論這個(gè)「時(shí)間之箭的翻轉(zhuǎn)」是真的還是模擬的。

不過(guò)，這種令人困惑的現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致新型的量子技術(shù)的出現(xiàn)。?

顛覆時(shí)間的概念

十年前，物理學(xué)家在十年前首次意識(shí)到，量子力學(xué)的奇怪規(guī)則推翻了常識(shí)中的「時(shí)間」概念。

是這樣的。當(dāng)你尋找一個(gè)粒子時(shí)，你總是在一個(gè)單一的、類似于點(diǎn)的地方檢測(cè)到它。

但在被測(cè)之前，一個(gè)粒子的行為更像是一種波，表現(xiàn)為一個(gè) 「波函數(shù)」，在多條路線上擴(kuò)散和振動(dòng)。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(xiàn)任職于香港大學(xué)的物理學(xué)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(shí)間順序的疊加中，這比空間中的位置疊加更進(jìn)一步。

四年后，魯比諾和她的同事直接用實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)想法。他們將一個(gè)光子送入兩條路徑的疊加中：

在一條路徑中，光子先經(jīng)歷事件A，然后是事件B，另一條路徑中，先經(jīng)歷事件B，然后經(jīng)歷事件A。在某種意義上，每個(gè)事件似乎都會(huì)引起另一個(gè)事件，這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為不確定的因果關(guān)系。

奇里貝拉和他的同事并不滿足于在時(shí)間前進(jìn)的過(guò)程中僅僅擾亂事件的順序，接下來(lái)他們瞄準(zhǔn)了時(shí)間本身的行進(jìn)方向，或者說(shuō)箭頭。他們尋求一種量子儀器，在這種儀器中，時(shí)間進(jìn)入了從過(guò)去到未來(lái)的疊加狀態(tài)，反之亦然--一種不確定的時(shí)間之箭。

要做到這一點(diǎn)，研究人員意識(shí)到，他們需要一個(gè)可以進(jìn)行相反變化的系統(tǒng)，就像一個(gè)節(jié)拍器的手臂可以向左或向右擺動(dòng)一樣。

他們?cè)O(shè)想將這樣的系統(tǒng)置于疊加狀態(tài)，就像一位音樂(lè)家同時(shí)向右和向左撥動(dòng)一個(gè)「量子節(jié)拍器」一樣。

設(shè)想提出以后，光學(xué)奇才們立即開(kāi)始在實(shí)驗(yàn)室里構(gòu)建模型。去年秋天，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)陸續(xù)宣布構(gòu)建成功。?

「兩點(diǎn)式」游戲

研究人員設(shè)計(jì)了一個(gè)只有量子兩面手才能勝任的游戲。用光子來(lái)玩這個(gè)游戲需要將光子發(fā)射到兩個(gè)晶體小工具，A和B。向后通過(guò)小工具會(huì)使偏振以恰好相反的方式旋轉(zhuǎn)。

在每一輪游戲之前，「裁判員」秘密地將小工具設(shè)置為兩種方式之一。向前穿過(guò)A，然后向后穿過(guò)B的路徑，會(huì)使光子的波函數(shù)相對(duì)于時(shí)間反轉(zhuǎn)的路徑（向后穿過(guò)A，然后向前穿過(guò)B）發(fā)生移動(dòng)，反之則不會(huì)。

在這場(chǎng)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(xué)元件后，將一個(gè)光子送過(guò)迷宮。

光子最終會(huì)出現(xiàn)在兩個(gè)探測(cè)器中的一個(gè)。如果玩家以足夠巧妙的方式設(shè)置了他們的迷宮，那么擁有光子的探測(cè)器的點(diǎn)擊就會(huì)顯示出裁判的選擇。

當(dāng)玩家設(shè)置了電路，使光子在每個(gè)小工具中只有一個(gè)方向移動(dòng)，那么，即使A和B的因果順序不確定，探測(cè)器的點(diǎn)擊最多只有大約90%的時(shí)間與秘密小工具的設(shè)置相符。

只有當(dāng)光子經(jīng)歷了一個(gè)疊加，使其向前和向后穿過(guò)兩個(gè)小工具時(shí)（一種被稱為「量子時(shí)間翻轉(zhuǎn)」的現(xiàn)象），才能在理論上贏得每一輪實(shí)驗(yàn)。

去年，位于中國(guó)合肥和奧地利維也納的兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都建立了各自「量子時(shí)間翻轉(zhuǎn)」電路。經(jīng)過(guò)100萬(wàn)輪的測(cè)試，維也納團(tuán)隊(duì)將游戲成功率提升至99.45%。另一個(gè)團(tuán)隊(duì)則在99.6%的回合中獲勝。

這兩個(gè)結(jié)果都打破了理論上90%的限制，證明了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭泄庾咏?jīng)歷了兩個(gè)對(duì)立變換的疊加，因此代表時(shí)間方向的箭頭是不確定的。?

解讀「時(shí)間翻轉(zhuǎn)」

雖然研究人員已經(jīng)執(zhí)行并命名了量子時(shí)間翻轉(zhuǎn)，但他們對(duì)哪個(gè)詞最能體現(xiàn)他們的工作，觀點(diǎn)并不完全一致。

在奇里貝拉看來(lái)，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)M了「時(shí)間之箭」的翻轉(zhuǎn)。實(shí)際上真正的翻轉(zhuǎn)，需要將時(shí)空結(jié)構(gòu)本身排布成兩種幾何形狀的疊加，其中時(shí)間指向不同的方向。

他說(shuō)：「很明顯，從這個(gè)角度出發(fā)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的時(shí)間翻轉(zhuǎn)?！?/span>

另一個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這些電路的最大意義是，在模擬時(shí)空方面邁出了重要的一步。研究人員表示，光子的可測(cè)屬性的變化，與它們通過(guò)兩個(gè)時(shí)空幾何形狀的真正疊加時(shí)的變化完全一致。

而在量子世界中，在可測(cè)物之外沒(méi)有任何現(xiàn)實(shí)?！敢簿褪钦f(shuō)，從狀態(tài)本身來(lái)看，模擬和真實(shí)的東西之間沒(méi)有區(qū)別?！?/span>?

沒(méi)有反轉(zhuǎn)時(shí)間？也沒(méi)關(guān)系

而無(wú)論如何，物理學(xué)家都希望，這個(gè)設(shè)計(jì)同時(shí)以兩種方式流動(dòng)的量子電路的能力可能會(huì)使量子計(jì)算、通信和計(jì)量學(xué)的新設(shè)備成為可能。

法國(guó)Néel研究所的量子信息理論家Cyril Branciard說(shuō)：「這讓你可以做更多的事情，而不僅僅是以一種順序操作?！?/span>

一些研究人員推測(cè)，量子時(shí)間翻轉(zhuǎn)的時(shí)間旅行味道可能使未來(lái)的量子「撤銷」成為可能。還有人預(yù)計(jì)，同時(shí)在兩個(gè)方向運(yùn)行的電路可以使量子機(jī)器更有效地運(yùn)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(fù)雜度?！顾傅氖菆?zhí)行某些任務(wù)所需的步驟數(shù)量。

這樣的實(shí)際應(yīng)用還遠(yuǎn)未得到保證。雖然時(shí)間翻轉(zhuǎn)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(gè)高度設(shè)計(jì)的任務(wù)，只是為了突出它們比單向電路的優(yōu)勢(shì)，距離實(shí)際應(yīng)用還非常遙遠(yuǎn)。

但怪異的、看似小眾的量子現(xiàn)象卻有證明自己有用的訣竅。知名物理學(xué)家安東·齊林格曾認(rèn)為，量子糾纏-分離的粒子之間的聯(lián)系無(wú)法帶來(lái)任何好處。

今天，量子糾纏將新生的量子網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和原型量子計(jì)算機(jī)中的量子比特聯(lián)系在了一起，齊林格對(duì)這一現(xiàn)象上的研究為他贏得了2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而對(duì)于量子時(shí)間的可翻轉(zhuǎn)性問(wèn)題，現(xiàn)在仍處于非常早期的階段。