不受時間之箭拘束,量子電腦可能將改變我們對時間的看法

作者 | 發布日期 2018 年 08 月 05 日 23:00 | 分類 尖端科技 , 科技教育 , 電腦 follow us in feedly

「時間」是非常複雜的概念,以傳統觀點來說,時間不可逆且持續向前流動,但最近一項關於量子電腦的研究發現,由於我們對時間的想法只是基於自身對事物運作的感知,對真正的時間來說,這或許是非常狹隘的觀點。



這項研究是由新加坡國立大學量子科技研究中心(CQT)和南洋理工大學團隊共同進行,7 月 18 日發表在《物理評論 X》(Physical Review X)研究裡,團隊發現量子電腦並不像一般電腦,受傳統時間觀念的限制。

談研究之前,必須先解釋一下目前存在的「時間之箭」(arrow of time)概念:即時間是一條單行道,有明確的方向性,像原因必定發生在結果之前。舉例來說,這就像你在看電影時,如果從開頭持續看了夠久時間,並了解劇情在說什麼,你會漸漸可預測接下來會發生的事;但如果將影片從結尾倒轉看,一切似乎顯得毫無意義可言,你自然難以反向預測之前發生的事。

當然,有些人可能會提出反例,像是當一個人拍球,你很容易預測球不是從手上拍出,還是正要反彈到手中,但這是因為事物是沿著可預測的路徑移動,因果關係在兩個方向大致相同,如果除去這些有明顯痕跡可遵循的情況,就物理預測而言,當你逆轉時間進行時,運作方式完全不同。

根據過去科學家 James Crutchfield 進行的研究,當你想從各種發生的情況(原因)預測未來可能發生的事情(結果),你會需要一台強大電腦系統來模擬,但若是以相反順序推理,困難度將以指數級成長,你會需要遠比前者更強大的電腦才能進行,這種不對稱的現象稱為因果不對稱(causal asymmetry)。

這也是為什麼團隊開始研究的原因。從理論來說,由於量子力學與傳統物理完全不同,因此量子運算可能不會遇到人類和一般電腦面臨的因果不對稱,處理時間之箭的方式可能也會不同,研究也證實了同樣的情況。

過去經典物理模型的預測,因果不對稱的情況確實顯現,反向預測消耗的資源明顯大得多,但這次團隊運用量子物理模型的預測實驗中發現,量子物理模型除了完全減輕資源消耗(即使反向預測的量子模型也總是贏過正向預測的經典模型),還可往任何方向預測──甚至在某些測試,好像從原因推測到結果或從結果推測到原因,對量子電腦來說根本沒有差別。

論文主要作者 Jayne Thompson 認為,這項研究有一些深遠的影響,對團隊來說,最令人興奮的莫過於時間之箭理論有其他解釋的可能性,「如果因果不對稱的問題只在經典物理出現,那表示我們對因果關係,甚至是對時間的理解,都可從量子世界的基礎獲得經典解釋。」

由於量子物理主要就是研究宇宙微型粒子的奇特概率行為,只要這些粒子確實符合量子物理理論(儘管一些奇怪的效應我們可能還不明白),那宇宙應該也是如此。也就是說,如果量子電腦可在沒有因果不對稱的情況下運作,那麼宇宙本身應該也相同。

雖然有這種想法,但 Thompson 強調,看到這些量子電腦將如何運作的證據,與未來真的實際運作證實是完全不同的事,以目前的情況來說,要製造出足以實際運算論文描述模型的量子電腦還有很長一段路要走,更重要的是,雖然測試中少數量子模型並未出現因果不對稱情況,但還是有些非常簡陋的量子模型出現一些因果不對稱情況,因此目前的研究無法證明宇宙完全不存在因果不對稱性。

團隊未來打算持續深入研究,弄清楚因果不對稱性是否存在任何量子模型,除了有助於時間之箭的相關論證,這項研究結果也可能有實用價值。就像倒轉播放的電影,有時我們也需要找到方式理解本質難以建模的事物,在這種情況下,量子演算可證明比傳統方法更有效。

(首圖來源:shutterstock)