顛覆因果律？量子計算機或?qū)⒏淖冇钪鏁r間向前流動方向

據(jù)國外媒體報道，一項全新的量子計算技術或?qū)氐赘淖冇钪嬷械臅r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(xiàn)反向流動的情況。在日常生活中，情況的確如此，就像周二過后是周三，2018年之后是2019年，年輕人會變成老年人。在經(jīng)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(tǒng)在未來的發(fā)展走向，但推測系統(tǒng)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(jù)該特性，沿著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(xiàn)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(shù)據(jù)，較為精確地預測接下來五天內(nèi)的降雨概率。但要讓他們用同一數(shù)據(jù)推測過去五天內(nèi)是否下過雨，挑戰(zhàn)性就高得多了，需要多得多的數(shù)據(jù)、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征。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。如果把宇宙想成一臺巨大的、不斷進行運算的計算機，那么向前（先有因，再有果）總是要容易一些，需要的資源也更少，而向后（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(fā)表的一篇新論文指出，時間箭頭可能是經(jīng)典計算技術刻意造就的產(chǎn)物。它之所以呈現(xiàn)出這種規(guī)律，也許僅僅是因為我們工具有限而已。

一組研究人員發(fā)現(xiàn)，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(jīng)典計算機的信息只有兩種儲存狀態(tài)（非0即1），但量子計算機則不然，信息存儲在亞原子粒子中。這些粒子有著獨特的運行規(guī)則，可以同時處于多種狀態(tài)。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并不存在因果不對稱性現(xiàn)象。

怎么會這樣呢?

非常有序、或非常隨機的系統(tǒng)都很容易預測。（比如擺錘是一個有序系統(tǒng)，充滿房間的氣體云是無序系統(tǒng)。）在這篇論文中，研究人員對介于兩者之間的系統(tǒng)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(tǒng)。）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，對于計算機來說，這類系統(tǒng)非常難以理解。

接著，他們試圖借助理論量子計算機（未用到實體計算機）推測出這些系統(tǒng)的過去與未來。與經(jīng)典計算機相比，這些量子計算機模型不僅占用內(nèi)存更少，而且無需占用更多內(nèi)存、便可實現(xiàn)時序上的雙向運行。換句話說，這些量子模型中并不存在因果不對稱性。“經(jīng)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，并且使用的內(nèi)存非常少。”

湯普森還指出，假如量子計算機具有這一特性，那么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(guī)律，那么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，那么宇宙也應當如此。當然，觀察到這些證據(jù)并不等同于在現(xiàn)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，才能研制出足夠先進、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，此次研究并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(tǒng)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?！拔覍Υ巳猿钟^望態(tài)度?！睖丈f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(fā)表的論文并不意味著時間不存在，也不意味著我們未來能實現(xiàn)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并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(fā)現(xiàn)對時間的形態(tài)和我們的日常生活究竟有何影響，目前還是個未知數(shù)。

湯普森指出，此次研究的實際作用在于，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(jīng)典計算機模型而言，這必將引發(fā)滔天巨變。