翻转时间箭头：量子计算机或将改变时间流动方向

北京时间7月31日消息，据国外媒体报道，一项全新的量子计算技术或将彻底改变宇宙中的时间流动模型。长时间以来，我们一直认为时间只朝一个方向流动，几乎不会出现反向流动的情况。在日常生活中，情况的确如此，就像周二过后是周三，2018年之后是2019年，年轻人会变成老年人。

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在经典计算机领域也是如此。因此笔记本电脑上的软件更容易预测某个复杂系统在未来的发展走向，但推测系统过去的活动则要困难得多。宇宙有一种被理论学家叫做“因果不对称性”（causal asymmetry）的特性。根据该特性，沿着时间的某一方向前进，会比另一方向需要更多的信息和更复杂的运算。（从实际情况来说，沿时间向前要容易一些。）

而这一特性在现实生活中也有一定影响。气象学家可以利用今天的天气雷达数据，较为精确地预测接下来五天内的降雨概率。但要让他们用同一数据推测过去五天内是否下过雨，挑战性就高得多了，需要多得多的数据、以及强大得多的计算机。

长时间以来，信息理论学家一直怀疑因果不对称性也许是宇宙的一项基本特征。早在1927年，物理学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）就指出，正是这种不对称性决定了我们只能沿时间向前、而不能倒退。如果把宇宙想成一台巨大的、不断进行运算的计算机，那么向前（先有因，再有果）总是要容易一些，需要的资源也更少，而向后（先有果，再有因）则要困难一些。这就是所谓“时间箭头”的概念。

但前不久发表的一篇新论文指出，时间箭头可能是经典计算技术刻意造就的产物。它之所以呈现出这种规律，也许仅仅是因为我们工具有限而已。

一组研究人员发现，在特定情况下，量子计算机中的因果不对称性竟然会消失，因此量子计算机能够以全然不同的方式进行运算。经典计算机的信息只有两种储存状态（非0即1），但量子计算机则不然，信息存储在亚原子粒子中。这些粒子有着独特的运行规则，可以同时处于多种状态。更吸引人的是，这篇论文还指出，未来可能会有研究证明宇宙中其实并不存在因果不对称性现象。

怎么会这样呢？

非常有序、或非常随机的系统都很容易预测。（比如摆锤是一个有序系统，充满房间的气体云是无序系统。）在这篇论文中，研究人员对介于两者之间的系统进行了分析——既非整齐划一，又非杂乱无章。（比如正在成型中的天气系统。）该研究的共同作者、新加坡国立大学研究量子信息的复杂度理论学家与物理学家简·汤普森（Jayne Thompson）指出，对于计算机来说，这类系统非常难以理解。

接着，他们试图借助理论量子计算机（未用到实体计算机）推测出这些系统的过去与未来。与经典计算机相比，这些量子计算机模型不仅占用内存更少，而且无需占用更多内存、便可实现时序上的双向运行。换句话说，这些量子模型中并不存在因果不对称性。“经典计算机也许无法倒序运行，”汤普森表示，“但我们的研究结果显示，从‘量子力学’的角度来看，这种运算过程无论朝哪个方向都能运行，并且使用的内存非常少。”

汤普森还指出，假如量子计算机具有这一特性，那么整个宇宙也应当如此。

量子物理研究的是宇宙中一切微型粒子的奇特概率行为。既然宇宙是由这些微型粒子构成的，假如它们均符合量子物理规律，那么宇宙本身也应当符合，尽管有些更奇特的效果可能难以觉察。因此，假如量子计算机无需因果不对称性便可运行，那么宇宙也应当如此。当然，观察到这些证据并不等同于在现实世界中就能观察到相应的效果。但我们还要走很长一段路，才能研制出足够先进、能够真正运行论文中描述的这些模型的量子计算机。

汤普森还指出，此次研究并未证明宇宙中完全不存在因果不对称性。尽管她和同事们的研究结果显示，许多系统中都不存在这一特性。但她也表示，有些非常基础的量子模型中可能会存在部分因果不对称性。“我对此仍持观望态度。”汤普森说道。

但也只是目前而已。

汤普森表示，他们研究的下一步便是要弄清是否有量子模型存在因果不对称性。此次发表的论文并不意味着时间不存在，也不意味着我们未来能实现时光倒流。但该研究显示，在我们对时间和因果的理解中，有一块关键的组成部分并不像科学家长时间以来坚信的那样，甚至可能截然相反。但这一发现对时间的形态和我们的日常生活究竟有何影响，目前还是个未知数。

汤普森指出，此次研究的实际作用在于，它证明了未来的量子计算机可以轻松模拟过去和未来的状况（比如天气）。对目前的经典计算机模型而言，这必将引发滔天巨变

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