人为操控单个粒子的量子状态,让单个粒子变得更“年轻”

电影《夏洛特烦恼》中，夏洛“偶然”穿越了时间，回到了他的中学时期。于是，他利用生活的经验，转身变为大歌星，成为人生的赢家，住豪宅，开跑车，娶美女，过上了普通人难以企及的生活。然而，现实是残酷的，时间不可逆，“逝者如斯夫”啊！

可是，对于单个原子来说，时间的逆转在百万分之一秒内可以实现。纽约时报日前报道了这样一项研究，通过在IBM的量子计算机上人为操控单个粒子的量子状态，可以让单个粒子变得更“年轻”。实际上，这项由来自俄国和美国的物理学家共同完成的研究，是去年在论文预印本网站arxiv上发布的。

对于经典计算机，每一个储存位或是0，或是1，以此来存储或处理信息。而量子计算机的一大优势，就是每一个储存位可以同时是0或者是1，是两者的一个叠加状态，如同那只著名的薛定谔猫一样，同时是死或活的状态。

本来在物理学的基础理论中，没有时间的箭头。时间向前演进和向后演进，同样符合基本的物理方程。因此，突然有了时间箭头这件事，不管是牛顿力学，还是高速运动下的相对论力学，量子力学都是不可理解的。

现在知道，时间不可逆的根源是热力学第二定律，其本质上是统计规律导致。所以一个必要的条件是有大量的原子，比如数量级达到10的23次方以上的宏观物体，就满足这个条件，因而导致时间出现逆转的几率只会在理论上出现，现实中可以忽略不计。所以才会出现破镜难圆，覆水难收。

这一次物理学家的成果，着眼于单个粒子的量子状态，在IBM的量子计算机中实现了单个原子的状态的时间逆转。量子计算机可以解决经典计算机所无法解决的问题，比如大数的因数分解，这个会引发密码安全的问题，因而其发展受到大家的广泛关注。在量子计算机领域，有“量子霸权”的说法，当人为控制的量子位达到一定的数量，比如40位，就可以完成对经典计算机的取代。但目前量子计算机的一个重要问题是其量子位不稳定，易受到环境扰动的影响。

量子力学中，一个基本的概念是认为粒子也有波动性，而这些波必须满足薛定谔方程。在薛定谔方程中，让时间反演，方程也成立。但据这篇文章看来，理论上看起来“成立”事情，现实操作起来很困难，这是技术上的一个难题，而在自然环境中，几乎不可能发生。

他们的实验分为如下几步，首先，用量子比特模仿一个“人造原子”的简单初始状态。然后，该团队用一系列微波无线电脉冲点击量子比特，经过了τ（∼10-6s），这使得量子比特从一个简单的状态变得更加复杂。此后，科学家用另一个微波脉冲点击量子比特，经过了τ时间后，使得原子回复到初状态，相似程度达到86%。所以，原子在人为的操纵下，又变得“年轻”了，虽然没有完全回复到以前的状态。

这一次，并非大量粒子的统计规律导致了时间箭头，单个粒子的状态在自然状况中也是不可逆的。文章认为对于时间逆转，需要一个复杂的人为操作。但在大多数情况下，这样的操作不可能自发地发生在自然界。

“我们的结果证实，即使是符合量子力学的粒子，让它在自然界自行发生时间反转，也几乎是不可能的”，Vinokuor博士认为，目前他是美国阿贡实验室的成员。也是这篇论文的五位作者之一。

考虑到量子力学中占基础地位的海森堡的测不准原理表述，即你不能同时非常精确地了解一个原子的位置和其动量。Vinokuor以打台球比喻说，如果你打的是量子台球，对单原子进行时间逆转操控，难度在于用球杆把台球打到原始的位置。粗略的说，打台球的力度和方向是无法完全确定的。

当系统增加到两个粒子，如果粒子在初始时刻波包有叠加的状态。那么，用经典的电磁场完全没有办法恢复到粒子的初始状态；即使没有叠加，量子的纠缠状态——即爱因斯坦所说的怪异的相互作用（spooky interaction）——让两个粒子的状态瞬间关联在一起，从而让问题的复杂程度增加到一个新的层次，用经典的电磁场没法完全回复粒子的初始状态。

图丨左：“IBM Q”量子系统的稀释制冷机，里面装有量子计算机。

右：IBM量子计算科学家 Hanhee Paik（左）和 Sarah Sheldon（右）展示纽约约克敦 IBM T. J. Watson 研究中心内一个打开的稀释制冷机内的硬件。（ 来源：IBM Research）

时间可逆性问题，在2002年就引起了大家的关注。因为当时一组澳大利亚的科学家发现，微米量级的小球，在分钟尺度内，会出现破坏热力学第二定律的现象。当时，甚至《新科学家》都以“热力学第二定律遭到破坏”对此进行了报道。

单个粒子的时间逆转已经很困难了，更不要谈我们日常生活中碰到的宏观数量级的粒子。所以，在实际生活中，你我都被时间的洪流推动着，向前跑。