電影《夏洛特?zé)馈分?，夏洛“偶然”穿越了時間，回到了他的中學(xué)時期。于是，他利用生活的經(jīng)驗，轉(zhuǎn)身變?yōu)榇蟾栊?，成為人生的贏家，住豪宅，開跑車，娶美女，過上了普通人難以企及的生活。然而，現(xiàn)實是殘酷的，時間不可逆，“逝者如斯夫”??！

可是，對于單個原子來說，時間的逆轉(zhuǎn)在百萬分之一秒內(nèi)可以實現(xiàn)。紐約時報日前報道了這樣一項研究，通過在IBM的量子計算機(jī)上人為操控單個粒子的量子狀態(tài)，可以讓單個粒子變得更“年輕”。實際上，這項由來自俄國和美國的物理學(xué)家共同完成的研究，是去年在論文預(yù)印本網(wǎng)站arxiv上發(fā)布的。

對于經(jīng)典計算機(jī)，每一個儲存位或是0，或是1，以此來存儲或處理信息。而量子計算機(jī)的一大優(yōu)勢，就是每一個儲存位可以同時是0或者是1，是兩者的一個疊加狀態(tài)，如同那只著名的薛定諤貓一樣，同時是死或活的狀態(tài)。

本來在物理學(xué)的基礎(chǔ)理論中，沒有時間的箭頭。時間向前演進(jìn)和向后演進(jìn)，同樣符合基本的物理方程。因此，突然有了時間箭頭這件事，不管是牛頓力學(xué)，還是高速運(yùn)動下的相對論力學(xué)，量子力學(xué)都是不可理解的。

現(xiàn)在知道，時間不可逆的根源是熱力學(xué)第二定律，其本質(zhì)上是統(tǒng)計規(guī)律導(dǎo)致。所以一個必要的條件是有大量的原子，比如數(shù)量級達(dá)到10的23次方以上的宏觀物體，就滿足這個條件，因而導(dǎo)致時間出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)的幾率只會在理論上出現(xiàn)，現(xiàn)實中可以忽略不計。所以才會出現(xiàn)破鏡難圓，覆水難收。

這一次物理學(xué)家的成果，著眼于單個粒子的量子狀態(tài)，在IBM的量子計算機(jī)中實現(xiàn)了單個原子的狀態(tài)的時間逆轉(zhuǎn)。量子計算機(jī)可以解決經(jīng)典計算機(jī)所無法解決的問題，比如大數(shù)的因數(shù)分解，這個會引發(fā)密碼安全的問題，因而其發(fā)展受到大家的廣泛關(guān)注。在量子計算機(jī)領(lǐng)域，有“量子霸權(quán)”的說法，當(dāng)人為控制的量子位達(dá)到一定的數(shù)量，比如40位，就可以完成對經(jīng)典計算機(jī)的取代。但目前量子計算機(jī)的一個重要問題是其量子位不穩(wěn)定，易受到環(huán)境擾動的影響。

量子力學(xué)中，一個基本的概念是認(rèn)為粒子也有波動性，而這些波必須滿足薛定諤方程。在薛定諤方程中，讓時間反演，方程也成立。但據(jù)這篇文章看來，理論上看起來“成立”事情，現(xiàn)實操作起來很困難，這是技術(shù)上的一個難題，而在自然環(huán)境中，幾乎不可能發(fā)生。

他們的實驗分為如下幾步，首先，用量子比特模仿一個“人造原子”的簡單初始狀態(tài)。然后，該團(tuán)隊用一系列微波無線電脈沖點擊量子比特，經(jīng)過了τ（～10-6s），這使得量子比特從一個簡單的狀態(tài)變得更加復(fù)雜。此后，科學(xué)家用另一個微波脈沖點擊量子比特，經(jīng)過了τ時間后，使得原子回復(fù)到初狀態(tài)，相似程度達(dá)到86%。所以，原子在人為的操縱下，又變得“年輕”了，雖然沒有完全回復(fù)到以前的狀態(tài)。

這一次，并非大量粒子的統(tǒng)計規(guī)律導(dǎo)致了時間箭頭，單個粒子的狀態(tài)在自然狀況中也是不可逆的。文章認(rèn)為對于時間逆轉(zhuǎn)，需要一個復(fù)雜的人為操作。但在大多數(shù)情況下，這樣的操作不可能自發(fā)地發(fā)生在自然界。

“我們的結(jié)果證實，即使是符合量子力學(xué)的粒子，讓它在自然界自行發(fā)生時間反轉(zhuǎn)，也幾乎是不可能的”，Vinokuor博士認(rèn)為，目前他是美國阿貢實驗室的成員。也是這篇論文的五位作者之一。

考慮到量子力學(xué)中占基礎(chǔ)地位的海森堡的測不準(zhǔn)原理表述，即你不能同時非常精確地了解一個原子的位置和其動量。Vinokuor以打臺球比喻說，如果你打的是量子臺球，對單原子進(jìn)行時間逆轉(zhuǎn)操控，難度在于用球桿把臺球打到原始的位置。粗略的說，打臺球的力度和方向是無法完全確定的。

當(dāng)系統(tǒng)增加到兩個粒子，如果粒子在初始時刻波包有疊加的狀態(tài)。那么，用經(jīng)典的電磁場完全沒有辦法恢復(fù)到粒子的初始狀態(tài)；即使沒有疊加，量子的糾纏狀態(tài)——即愛因斯坦所說的怪異的相互作用（spooky interaction）——讓兩個粒子的狀態(tài)瞬間關(guān)聯(lián)在一起，從而讓問題的復(fù)雜程度增加到一個新的層次，用經(jīng)典的電磁場沒法完全回復(fù)粒子的初始狀態(tài)。

圖丨左：“IBM Q”量子系統(tǒng)的稀釋制冷機(jī)，里面裝有量子計算機(jī)。

右：IBM量子計算科學(xué)家 Hanhee Paik（左）和 Sarah Sheldon（右）展示紐約約克敦 IBM T. J. Watson 研究中心內(nèi)一個打開的稀釋制冷機(jī)內(nèi)的硬件。（ 來源：IBM Research）

時間可逆性問題，在2002年就引起了大家的關(guān)注。因為當(dāng)時一組澳大利亞的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，微米量級的小球，在分鐘尺度內(nèi)，會出現(xiàn)破壞熱力學(xué)第二定律的現(xiàn)象。當(dāng)時，甚至《新科學(xué)家》都以“熱力學(xué)第二定律遭到破壞”對此進(jìn)行了報道。

單個粒子的時間逆轉(zhuǎn)已經(jīng)很困難了，更不要談我們?nèi)粘Ｉ钪信龅降暮暧^數(shù)量級的粒子。所以，在實際生活中，你我都被時間的洪流推動著，向前跑。