导读
近日，新加坡国立大学量子技术中心（CQT）和南洋理工大学的研究人员展示了量子计算机比经典计算机更少地受制于时间箭头。在某些情况下，量子计算机仿佛根本无需区别因与果。
背景
著名的物理学家斯蒂芬霍金，在其创作的科学著作《时间简史》中提到了时间箭头。
他描述道：“无序度或熵随着时间增加是一个所谓的时间箭头的例子。时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。”
由于时间箭头让时间有了方向，所以当我们倒着观看电影时，常常会感到困惑不解。例如，正常的时间顺序下，我们会看到一个杯子从桌子上滑落然后摔碎在地上；然而倒序播放时，我们会看到摔碎在地上的杯子，又重新回到桌子上，变得完好无损。但是这种倒序发生的事件，往往与我们心中的因果规律（原因被认为发生在结果之前）相矛盾，让我们难以理解。
创新
然而，量子计算机似乎更擅长理解“倒放的电影”。新加坡国立大学量子技术中心（CQT）和南洋理工大学的研究人员 Mile Gu 与合作伙伴们一起研究得出这一结论。
在一篇于7月18日发表在《Physical Review X》期刊上的研究论文中，这支国际研究团队展示了量子计算机比经典计算机更少地受制于时间箭头。在某些情况下，量子计算机仿佛根本无需区别因与果。
（图片来源：Aki Honda / 新加坡国立大学量子技术中心）
技术
大约十年前，加州大学戴维斯分校复杂性科学家 James Crutchfield 和 John Mahoney 的颇具影响力的发现，启发了这项新研究。他们展示了许多统计数据序列都具有内置的时间箭头。观察者从开始播放到结束一直在观看数据，如同一幅幅电影画面一样。他们可以通过对于之前发生的事情的少量记忆，为将要发生的事情建模。如果观察者尝试以倒序的方式为系统建模，那么难度会大得多，需要追踪的信息量可能要多几个数量级。
这项发现被称为“因果不对称性”（causal asymmetry）。它似乎是凭直觉获知的。归根结底，当时间正在倒退时为系统建模，就像通过结果推断出原因。按照我们的日常习惯，从结果推断出原因，要比从原因推断出结果难很多。在日常生活中，如果你知道了刚刚发生过什么，以及在这之前发生了什么，理解下一步发生的事情将变得更容易。
然而，研究人员常常沉迷于探索与时间顺序相关的不对称性。这是因为物理学的基本定律，对于时间是向前还是向后发展，有点含糊不清。
Gu 问道：“当物理学没有赋予时间任何方向时，不对称性（颠倒因果的记忆开销）又从何而来？”
最初的因果不对称性研究，采用经典物理模型生成预测。Crutchfield 和 Mahoney 与 Gu 及其 CQT 的合作伙伴Jayne Thompson、Andrew Garner、Vlatko Vedral 一起合作，想要弄清楚量子力学是否会改变情况。
他们发现，量子力学确实改变了情况。团队证实，采用量子力学的模型可以完全减少记忆开销。用于仿造倒序时间过程的量子模型，总是胜过建模顺序时间过程的经典模型。
（图片来源：参考资料【2】）
（图片来源：参考资料【2】）
（图片来源：参考资料【2】）
价值
这项研究会产生一些意义深远的影响。论文的第一作者 Thompson 表示：“对于我们来说，最激动人心的事情就是与时间箭头之间可能存在的联系。如果因果不对称性只发生在经典模型中，这就表示我们对于因果以及时间的观察，来自对于根本上属于量子世界的事件的经典解释。”
下一步，团队想要理解它与其他的时间理念之间如何联系的。Vedral 表示：“每个社区都有自己的时间箭头，每个人都想要解释他们从何而来。”Crutchfield 和 Mahoney 将因果不对称性称为时间 "倒钩"的示例。
最具代表性的就是“热力学箭头”。它来自混乱度或熵，总是在每件发生的事情中，这里一点那里一点地增加，直到宇宙消失在巨大的热混乱中。虽然因果不对称性与热力学箭头不同，但是它们之间是相互关联的。追踪更多信息的经典模型也制造了更多的混乱。Thompson 表示：“这表明因果不对称性会带来熵。”
这些研究成果也具有实用价值。消除颠倒因果带来的经典开销，将会帮助量子模拟。Gu 表示：“如同以反转的时间顺序播放一部电影，有时我们可能需要搞清楚以本质上很难建模的次序呈现的东西。在这种情况下，量子模型比相应的经典模型效率要高得多。”
关键字
量子、时间、计算机
参考资料
【1】https://www.quantumlah.org/about/highlight.php?id=308
【2】http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031013