莫斯科物理和技术研究所 信用:MIPT达里亚·索科尔 在去年突破性的“时间反转”实验的基础上，来自莫斯科物理与技术研究所和阿尔贡国家实验室的两名研究人员在《通信物理学》上发表了一项新的理论研究
虽然他们之前的论文讨论的是预定义的量子态，但这次物理学家们设计了一种方法，可以在任意未知状态下对物体的演化进行时间反转
有一天，一个改进的反转方案可以让我们确认一台量子计算机的正确功能，它是如此强大，以至于需要一台比它本身更大的计算机来检查，从而达到目的
混乱随着时间的推移而盛行 如果让量子芯片自行发展，它的状态会有一种自然的演变方式:从有序到混乱
其他事情也是如此:随着时间的推移，我们的身体会变老，人造结构会退化，虽然留在餐桌上的冰块总是会融化，但另一个冰块肯定不会突然出现在玻璃杯里——尽管这可能取决于一个人喝了什么
通过日常经验，我们获得了一种时间感，这种时间感是基于封闭系统中通常更有序的过去状态和通常更美好的未来状态之间的区别——封闭系统就像一杯水和一个冰块，在那里融化是一个单向的过程
物理学家称之为时间不对称，或时间之箭
它源于无序的趋势，由热力学第二定律正式表达
“我们的突破之一，”阿尔贡的瓦莱里·维诺克尔(Valerii Vinokur)说，“是我们在实践中认识到，量子计算机是真实物理世界的一部分，但允许对其时间演化进行前所未有的控制
" 算法拼写书 去年，许多记者称之为“时间机器”的是物理学家的实验，该实验短暂地逆转了量子计算机的时间箭头
也就是说，实验是在计算机中进行的，最初处于有序状态，在很短的一段时间内朝着更大的混乱发展
在那之后，研究小组使用时间反转算法来修改计算机的状态，这样它就可以开始追踪它以前偷偷做的任何事情，有效地在反向回放中进化，直到它呈现出原始的有序状态
问题是，人们必须知道时间反转算法生效时计算机的状态，因为它不是通用的
“即使那感觉像是魔法，但是如果你允许类比的话，返工的程序是一个完全不同的精灵，”维诺科评论道
“比如说你想把帕台农神庙恢复到最初的辉煌
老妖怪会说，‘好吧，我可以这么做，但是你必须给我一些信息
我想要一份完整详细的废墟平面图
你看，那个精灵没有让时间倒流的万能咒语
相反，他有一本很大的咒语书，你必须一起翻阅才能找到合适的
非常乏味的家伙
" 实际上，必须知道你在逆转哪个状态的问题是需要记录它
对于去年研究中使用的由两三个量子比特组成的小型计算机来说，这并不是什么问题
但是扩大实验规模会很快增加内存需求:每增加一个量子位，所需的内存量就会翻倍
为了解决这个问题，研究人员想出了一个通用的算法，所以现在他们有了一个可以灵活适应任何情况的精灵野兽
无论量子系统以何种方式恶化，他都可以施展他的魔法，让它回到“有序”的过去
诚然，他会索要成吨成吨的大理石，然后用地狱之火将其烧焦，但对天才来说，这绝不简单
也许这是一个全新的
精灵信用:MIPT，达里亚·索科尔 魔术师的舞台道具 这里有一个思维实验来指导你完成这个过程
想象一下，你拿了一堆水分子，用它们在一个完全密封的盒子里制作了一片非常独特的雪花
只有你知道雪花的形状
你把盒子放在室温下一段时间，这会破坏里面的雪花
有了新的时间反转算法——以及一些奇特的热操作——研究人员声称他们可以将你的雪花恢复到原来的形状
以下是如何
随着变戏法的进行，物理学家开始用舞台道具把事情变得复杂一点:他们需要一个相同的盒子，里面有相同数量的水分子——还记得成吨的大理石吗
水可能是液态或气态，这并不重要
你只需要保证这两个盒子里装的东西数量相同
现在留意接下来的手法
一旦一个双箱——也称为辅助系统——可用，程序包括四个步骤
第一步:热化
将双箱放在一个非常热的物体上，使其达到非常高的温度，这个物体被称为储热器
第二步:分离
断开储热器
第三步:操纵
在孪生盒和原始盒之间运行所谓的非完全量子交换操作
第四步:重复
重复步骤1到3不敬的次数
这个序列导致了原始盒子与毁坏的雪花的时间反转状态，这意味着它将立即开始回溯它最近的过去，直到它呈现初始状态，冻结成与你想要的完全相同的形状
瞧。 《通信物理学》中的论文提供了一个公式，说明了上述循环需要重复多少次才能使给定系统的状态相对于时间发生逆转
也就是说，以正确的方式推动它，以确保从当前状态向过去的早期状态进行逆向进化
简而言之，这个数字是巨大的，它随着系统的复杂性和它应该回到的时间而迅速增长
精灵信用:MIPT，达里亚·索科尔 拉皮条我的量子位 诚然，帕台农神庙可能需要等待，但该团队对一个可能的实验持乐观态度，这个实验将短暂地逆转由少量量子比特组成的简单计算机的时间
例如，对于两个量子位，它至少需要16次循环重复，对于三个量子位，它是64，以此类推
这样的实验在今天的技术下是可行的，但问题是公开可用的机器——比如去年研究中使用的IBM量子计算机——不支持热化，这是循环的第一步
想一想，期望共享设施具有这种特殊功能就像向你当地的汽车共享服务机构请求一个跳跃式低收入者
因此，这个时间反转实验正等待着一个团队愿意“升级”自己的量子计算机，为它定制一个大的坏热库
虽然量子力学本身是出了名的违反直觉，但新的时间反转算法的一个方面甚至让物理学家摸不着头脑
“一般来说，一个系统越热，它就变得越混乱
所以，如果你仔细想想，我们正在做的是使用一种与极度混乱相关的工具——热库——来带来秩序，”安德烈·列别杰夫解释道
“我们不断地将辅助系统暴露在极高的温度下，最终目的是观察主系统冰冷有序的过去
这是一个我们还没有弄明白的悖论
" 如何测试比自己聪明的人 未来可能会使用通用时间反转算法来验证量子计算机是否正确运行，并且已经实现了量子优势
问题是，一旦量子计算机比其他计算机强大得多，如果没有类似的防错设备，你如何确认它不容易出错？ 一旦一台52个量子位的机器运行一种先进的量子算法，它将输出一种极其复杂的量子状态
确保没有出错的传统方法需要对结束状态进行完整的描述
然而，这超出了人类的能力
这就是通用时间反转算法的由来
如果你可以反向运行计算，并且不关心你正在“倒回”的结束状态，那么就没有必要描述它
你只要确保回到你开始的地方
因此，当量子计算机开始进行科学发现时，时间反转将会派上用场，以证实这些是关于世界的有效结论，而不是史诗般的量子故障
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