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推翻時間箭頭:量子計算機或將改變時間向前流動方向

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發表於 2018-8-1 10:15:15 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
來源:新浪科技

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新浪科技訊 北京時間7月31日消息,據國外媒體報道,一項全新的量子計算技術或將徹底改變宇宙中的時間流動模型。
  長時間以來,我們一直認為時間只朝一個方向流動,幾乎不會出現反向流動的情況。在日常生活中,情況的確如此,就像周二過後是周三,2018年之後是2019年,年輕人會變成老年人。在經典計算機領域也是如此。因此筆記本電腦上的軟件更容易預測某個復雜系統在未來的發展走向,但推測系統過去的活動則要困難得多。宇宙有一種被理論學家叫做“因果不對稱性”(causal asymmetry)的特性。根據該特性,沿着時間的某一方向前進,會比另一方向需要更多的信息和更復雜的運算。(從實際情況來說,沿時間向前要容易一些。)
  而這一特性在現實生活中也有一定影響。氣象學家可以利用今天的天氣雷達數據,較為精確地預測接下來五天內的降雨概率。但要讓他們用同一數據推測過去五天內是否下過雨,挑戰性就高得多了,需要多得多的數據、以及強大得多的計算機。
  長時間以來,信息理論學家一直懷疑因果不對稱性也許是宇宙的一項基本特徵。早在1927年,物理學家亞瑟·愛丁頓(Arthur Eddington)就指出,正是這種不對稱性決定了我們只能沿時間向前、而不能倒退。如果把宇宙想成一台巨大的、不斷進行運算的計算機,那麼向前(先有因,再有果)總是要容易一些,需要的資源也更少,而向後(先有果,再有因)則要困難一些。這就是所謂“時間箭頭”的概念。
  但前不久發表的一篇新論文指出,時間箭頭可能是經典計算技術刻意造就的產物。它之所以呈現出這種規律,也許僅僅是因為我們工具有限而已。
  一組研究人員發現,在特定情況下,量子計算機中的因果不對稱性竟然會消失,因此量子計算機能夠以全然不同的方式進行運算。經典計算機的信息只有兩種儲存狀態(非0即1),但量子計算機則不然,信息存儲在亞原子粒子中。這些粒子有着獨特的運行規則,可以同時處於多種狀態。更吸引人的是,這篇論文還指出,未來可能會有研究證明宇宙中其實並不存在因果不對稱性現象。
  怎麼會這樣呢?
  非常有序、或非常隨機的系統都很容易預測。(比如擺錘是一個有序系統,充滿房間的氣體雲是無序系統。)在這篇論文中,研究人員對介於兩者之間的系統進行了分析——既非整齊劃一,又非雜亂無章。(比如正在成型中的天氣系統。)該研究的共同作者、新加坡國立大學研究量子信息的復雜度理論學家與物理學家簡·湯普森(Jayne Thompson)指出,對於計算機來說,這類系統非常難以理解。
  接着,他們試圖藉助理論量子計算機(未用到實體計算機)推測出這些系統的過去與未來。與經典計算機相比,這些量子計算機模型不僅佔用內存更少,而且無需佔用更多內存、便可實現時序上的雙向運行。換句話說,這些量子模型中並不存在因果不對稱性。“經典計算機也許無法倒序運行,”湯普森表示,“但我們的研究結果顯示,從‘量子力學’的角度來看,這種運算過程無論朝哪個方向都能運行,並且使用的內存非常少。”
  湯普森還指出,假如量子計算機具有這一特性,那麼整個宇宙也應當如此。
  量子物理研究的是宇宙中一切微型粒子的奇特概率行為。既然宇宙是由這些微型粒子構成的,假如它們均符合量子物理規律,那麼宇宙本身也應當符合,盡管有些更奇特的效果可能難以覺察。因此,假如量子計算機無需因果不對稱性便可運行,那麼宇宙也應當如此。當然,觀察到這些證據並不等同於在現實世界中就能觀察到相應的效果。但我們還要走很長一段路,才能研製出足夠先進、能夠真正運行論文中描述的這些模型的量子計算機。
  湯普森還指出,此次研究並未證明宇宙中完全不存在因果不對稱性。盡管她和同事們的研究結果顯示,許多系統中都不存在這一特性。但她也表示,有些非常基礎的量子模型中可能會存在部分因果不對稱性。“我對此仍持觀望態度。”湯普森說道。
  但也只是目前而已。
  湯普森表示,他們研究的下一步便是要弄清是否有量子模型存在因果不對稱性。此次發表的論文並不意味着時間不存在,也不意味着我們未來能實現時光倒流。但該研究顯示,在我們對時間和因果的理解中,有一塊關鍵的組成部分並不像科學家長時間以來堅信的那樣,甚至可能截然相反。但這一發現對時間的形態和我們的日常生活究竟有何影響,目前還是個未知數。
  湯普森指出,此次研究的實際作用在於,它證明了未來的量子計算機可以輕松模擬過去和未來的狀況(比如天氣)。對目前的經典計算機模型而言,這必將引發滔天巨變。(葉子)



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