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严斌:量子的世界,不允许“蝴蝶效应”
作者:严斌 | 2020/8/11 4:47:16 | 浏览:63 | 评论:0

时间旅行是科幻小说的热门主题。一旦回到过去,初始条件的改变是否会产生“蝴蝶效应”,以致改变整个历史走向?

严斌:量子的世界,不允许“蝴蝶效应”

蝴蝶效应是混沌理论的精髓,它提醒了世界运转的一个本质:我们的世界并不遵循可预测的模式。图|exploring your mind

科幻作家对此提出了各种设想,科学家则在想办法进行验证。近期,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的两位科学家用量子计算机模拟了“时间旅行”,发现量子有自我修复的能力,蝴蝶效应在量子层面不成立

在研究中,通过量子计算机的模拟,信息量子位,也就是量子比特进行了“时间旅行”,回到过去。其中的一个量子比特会被破坏。然而,令人惊讶的是,当所有的量子比特回到“现在”,一切都恢复了原样,仿佛它们具备自愈的能力。

论文作者之一、洛斯阿拉莫斯国家实验室的理论物理学家尼科莱·辛尼森(Nikolai Sinitsyn)说:“在量子计算机上,模拟时间的反方向演化、或者模拟一个回到过去的旅程不成问题。因此,我们可以回到过去,弄些小损伤,然后返回现在,看看复杂的量子世界里发生了什么。我们发现我们的世界仍然好好的,这意味着量子力学中没有蝴蝶效应。”

科幻大师雷·布拉德伯里(Ray Bradbury)在1952年的科幻小说《雷霆万钧》(A Sound of Thunder)中,讲述了一个猎手的故事:他通过时间旅行回到遥远的过去,在那里他踩到了一只蝴蝶;回到现在之后,他发现了一个全然不同的世界。由此出现了“蝴蝶效应”一词,它指一个复杂的动态系统,对其初始条件的高度敏感性。

这种系统被称为“混沌系统”。混沌(chaos)是指确定性动力学系统因对初值敏感而表现出的不可预测的、类似随机性的运动。在这样的系统中,早期的细微因素可能对整个系统的演化产生强烈影响。

《雷霆万钧》。作者:雷·布拉德伯里。图|Slider Base

严斌:量子的世界,不允许“蝴蝶效应”

不过,论文作者严斌(音译,英文名Bin Yan)和辛尼森发现,在量子系统中模拟回到过去时的小损伤,演化到“现在”也只会导致微不足道的局部损伤。

这种效应可以应用于信息隐藏硬件和量子信息器件测试中,计算机可以通过将初始状态转换为强纠缠态来隐藏信息。

“我们发现,即使入侵者对强纠缠态进行破坏性测量,我们仍然可以很容易地恢复有用的信息,因为这种损伤不会被解码过程放大,这就证明了关于创建量子硬件来隐藏信息的讨论是合理的。”严斌说。严斌目前在洛斯阿拉莫斯国家实验室的非线性研究中心从事博士后研究。

这一新发现还可以用来测试量子处理器是否真的在量子原理下工作。由于新发现的非蝴蝶效应是纯量子的,如果一个处理器运行严斌和辛尼森的系统,并显示出这种效应,那么它一定是一个量子处理器。

严斌:量子的世界,不允许“蝴蝶效应”

量子原理将改变下一代的互联网安全。图|the Security Ledger

为了测试量子系统中的蝴蝶效应,严斌和辛尼森利用IBM-Q量子处理器,展示了一个电路如何通过应用量子门来演化具有因果关系的复杂系统。

在他们的实验中,爱丽丝在当前时刻准备了一个量子比特,并在量子计算机中让它回到过去。而在“过去”,鲍勃测量了爱丽丝的量子位。这种行为扰乱了量子比特,破坏了它与世界其他地方的所有量子关联。接下来,系统运行到当前时间。(量子通讯领域,爱丽丝和鲍勃通常用来指代信息的发送者和接收者。编者注)

严斌:量子的世界,不允许“蝴蝶效应”

爱丽丝和鲍勃。图|Los Alamos National Laboratory

根据布拉德伯里的理论,在复杂的演化过程中,鲍勃对量子状态和量子关联的微小损害应该很快被放大。因此,爱丽丝最后应该无法恢复她的信息。

但事实并非如此。严斌和辛尼森发现,在“过去”对量子关联的信息做出细微的干预,不会破坏“现在”的信息。他们的实验证明,尽管受到鲍勃的干扰,信息还是返回到爱丽丝的量子位而没有受到太大的损害。与直觉相反的是,回到更远的“过去”,或者放到更大的“世界”,返回给爱丽丝的最终信息收到的破坏反而更小。

我们发现,在经典物理学和量子力学中,混沌的概念必须有不同的理解。”辛尼森这样说。

*本文来源:洛斯阿拉莫斯国家实验室。

洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)

简称LANL,是美国承担核子武器设计工作的两个国家实验室之一;前称“Y计划”、洛斯阿拉莫斯实验室、洛斯阿拉莫斯科学实验室。

洛斯阿拉莫斯国家实验室建立于1943年曼哈顿计划期间,最初负责原子弹的制造、由伯克利加州大学负责管理,首任主任是“原子弹之父”罗伯特·奥本海默。

洛斯阿拉莫斯国家实验室是世界上最大的科学和技术研究机构之一,它在国家安全、太空探索、 可再生能源、医药、纳米技术和超级计算机等多个学科领域开展研究。

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