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量子计算机如何 ... 死时间之箭

一种量子计算的新技术可能会打破我们关于时间在宇宙中如何运动的整个模型。

这里有一个似乎很长的事实:时间是单向的。另一个方向?没那么多。

在生活中是真的。(从星期二到星期三,从2018年到2019年,从年轻人到老年人)这在一台经典的计算机上是真的。那是什么意思?在你的笔记本电脑上运行的一些软件要比重现过去更容易预测一个复杂的系统在未来将如何移动和发展。宇宙的一个性质,理论家称之为“因果不对称”,要求它需要更多的信息-和更复杂的计算-在一个方向上移动的时间比它在另一个方向上移动。(实际上,及时前进更容易。)

这会带来现实生活中的后果。根据今天的天气雷达数据,气象学家可以相当好地预测五天内是否会下雨。但请同样的气象学家用今天的雷达图像来判断五天前是否下雨?这是一个更具挑战性的任务,需要更多的数据和更大的计算机。[物理学中18个最大的未解之谜]

信息理论家长期怀疑因果不对称可能是宇宙的一个基本特征。早在1927年,物理学家阿瑟·埃丁顿就认为,这种不对称性是我们只在时间中前进,而不是后退的原因。如果你把宇宙理解为一台巨大的计算机,不断地计算它在时间中的路径,那么事物向前流动(原因,然后是结果)总是比向后流动(结果,然后是原因)更容易——资源密集度更低。这一想法被称为“时间之箭”,

,但7月18日发表在《物理评论X》杂志上的一篇新论文,打开了一扇大门,让我们认识到箭头是经典计算方式的产物,这是因为我们的工具有限,所以我们才认为是这样的。

一组研究人员发现,在某些情况下,因果不对称在量子计算机中消失了,而量子计算机的计算方式完全不同不同于经典的计算机,在量子计算机中信息存储在两种状态(1或0)中的一种,信息存储在亚原子粒子中,这些粒子遵循一些奇怪的规则,因此每个粒子可以同时处于多个状态。而且,更令人信服的是,他们的论文指出了未来的研究 ... ,这表明因果不对称在宇宙中根本不存在。

非常有序和非常随机的系统很容易预测。(想想一个钟摆有序的——或者一团充满房间的气体——杂乱无章)在这篇论文中,研究人员观察了那些具有金发姑娘水平的无序和随机性的物理系统——不太少,也不太多。新加坡国立大学的一位研究量子信息的复杂性理论家和物理学家Jayne Thompson说:“所以,像是一个正在发展中的天气系统。”。[古怪的物理:自然界最酷的小粒子]

接下来,他们试图用理论量子计算机(不涉及物理计算机)来计算这些系统的过去和未来。她说,这些量子计算机模型不仅比经典的计算机模型占用更少的内存,而且它们能够在不占用额外内存的情况下沿时间的任意方向运行。换句话说,量子模型没有因果不对称。

“虽然从经典意义上讲,这个过程可能不可能沿着某个方向(通过时间)进行,”汤普森告诉《生活科学》:“我们的结果表明‘量子力学’,这个过程可以沿着任何一个方向进行,只需要很少的内存。”“在量子计算机里是这样的,在宇宙中也是这样,”她说,

量子物理学是对奇异概率的研究非常小的粒子的行为-宇宙中所有非常小的粒子。如果量子物理学对构成宇宙的所有部分都是正确的,那么对宇宙本身也是正确的,即使它的一些奇怪的效应对我们并不总是显而易见的。因此,如果一台量子计算机能够在没有因果不对称的情况下运行,那么宇宙也是如此。

当然,看到一系列关于量子计算机有朝一日将如何工作的证据,与看到现实世界中的效应是不一样的。但我们离量子计算机的发展还有很长的路要走,量子计算机的发展足以运行本文所描述的模型,他们说,

更重要的是,汤普森说,这项研究并不能证明宇宙中任何地方都没有因果不对称。她和她的同事们证明了在一些系统中没有不对称现象。但她说,有可能存在一些非常简单的量子模型,其中出现了一些因果不对称。

“我在这一点上是不可知的,”她说。

目前。

是这项研究的下一步,她说,是为了回答这个问题——找出在任何量子模型中是否存在因果不对称。“KdSPE”“KdSPS”这篇文章并不能证明时间不存在,或者有一天我们能够向后倒退。但它似乎确实表明,我们理解时间、因果关系的关键组成部分之一,并不总是按照科学家长期以来的设想来工作——而且可能根本就不是这样。对于时间的形状和我们其他人来说,这意味着什么仍然是一个悬而未决的问题。

这项工作真正的实际好处,她说,在未来的道路上量子计算机可能能够很容易地在时间的任何一个方向上运行事物的模拟(比如天气),没有严重的困难。这将是当前经典建模世界的一个巨大变化。

最初发表在《生命科学》杂志上。

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