史上首次，物理学家实现了“时间翻转”，将导致新量子技术诞生

从过去到未来，时间沿着一个确定的方向流动的经验深深扎根于我们的思维中。然而，在微观层面上，自然法则似乎对过去和未来之间的区别漠不关心。在经典力学和量子力学中，基本的运动方程都是可逆的，改变时间符号仍然会产生有效的动力学。

最近的研究发现，在精心设计的电路中，光子在时间上表现得好像是同时向前和向后移动，这不仅可以帮助科学家改进量子计算并理解量子引力，还可以帮助我们弄清楚宇宙中一些最神秘的现象。

两个量子原理

这种“时间反演”效应源于两个奇怪原理的融合。第一个是量子叠加：量子叠加是量子力学的基本原理。它指出，就像经典物理学中的波一样，任何两个（或更多）量子态可以叠加在一起，结果将是另一个有效的量子态；相反，每个量子态都可以表示为两个或两个以上不同态的和。数学上，它指的是薛定谔方程解的性质。由于薛定谔方程是线性的，任何解的线性组合也是一个解。这意味着，微小粒子（如电子）能够同时以许多不同的状态存在，称为叠加态。第二个原理是，电荷、宇称和时间反演对称性（CPT），它指出任何包含粒子的系统都将遵守相同的物理定律，即使粒子的电荷、空间坐标和时间运动被反演。

量子时间翻转（反转）（quantum time flip）

通过结合这两种原理，物理学家产生了一种似乎同时沿着时间箭头和逆时间箭头运动的光子。

2013 年的一篇论文中，物理学家朱利奥・奇里贝拉提出了一种电路，将事件置于时间顺序的叠加中，超越了空间位置的叠加。17 年，奇里贝拉这一想法被实验证实。

研究人员将一个光子发送到两条路径的叠加上：一条是经历事件 A，然后是事件 B，另一条是经历事件 B，然后是事件 A。在某种意义上，每个事件似乎都导致了另一个事件，这种现象后来被称为无限因果关系。

时间之箭

时间似乎有一个方向 —— 过去在后面，固定不变，而未来在前面，不一定是固定的。然而，在大多数情况下，物理定律并没有指定时间箭头，并且允许任何过程向前或反向进行。这通常是由被分析系统中的参数对时间进行建模的结果，其中不存在“固有时间”：时间箭头的方向有时是任意的。

奇里贝拉设计了一种量子装置，在这种装置中，时间进入了从过去流向未来的叠加态，反之亦然 —— 一个无限的时间箭头。

为此，奇里贝拉需要一个可以发生相反变化的系统。他设想将这样一个系统置于叠加态。

光子的游戏

奇里贝拉设计了一种装置，装置中的激光器向两个晶体装置 A 和 B 发射光子。光子向前穿过一个小装置时，其自旋偏振取决于装置的设置；向后通过这个装置，电子偏振以完全相反的方式旋转。

研究人员设置电路，使光子在每个装置中只向一个方向移动。那么，即使 A 和 B 处于不确定的因果顺序，探测器最多在 90% 的时间内与装置设置匹配。只有当光子经历一次叠加，使它在两个装置中向前和向后移动时（量子时间反演），才算成功。

去年，中科大团队和维也纳团队建立了量子时间反演电路。在超过 100 万轮的测试中，维也纳团队的成功率为 99.45%。中科大团队的成功率为 99.6%。这两个团队都打破了 90% 的理论极限，这证明了光子经历了两种相反转变的叠加，因此有一个无限的时间箭头。

时间翻转的未来

很明显，这个实验并没有实现时间箭头的翻转，翻转时间需要将时空结构本身排列成两个时间指向不同方向的几何图形的叠加。

与此同时，如果光子通过两个时空几何的真正叠加，光子的可测量属性会发生完全相同的变化。在量子世界中，没有超越可测量范围的现实。

物理学家们希望，设计出同时双向流动的量子电路的能力，可能会为量子计算、通信和计量学提供新的设备。虽然时间翻转电路突破了理论上的性能限制，但这是一个高度人为设计的任务，只是为了突出它们相对于单向电路的优势。

著名物理学家安东・蔡林格曾经认为量子纠缠对任何事情都没有好处。如今，量子纠缠将新生量子网络中的节点和原型量子计算机中的量子位串联在一起。对于量子时间的可翻转性质，一切都还未知。

本文来自微信公众号：老胡说科学 （ID：LaohuSci），作者：我才是老胡

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