編輯：David
【新智元導讀】與那些時空穿梭的科幻電影不同，在量子領域，實體學家們已經實作了雙向的「粒子時光機」。
如果有人告訴你，現在有一台時光機，還是可以雙向傳送的那種，能夠翻轉過去和未來，你信不信？
實際上，這個「時光機」早就在科學家的實驗室中研究了不少日子了，隻不過它的乘客并不是人類，而是粒子。
更确切地說，是光子。就像人類變成狼人時，狼人也變成了人類。在精心設計的電路中，這些光子的行為就像時間在向前和向後的量子組合中流動一樣。
蘇格蘭格拉斯哥大學的量子實體學家索尼娅·弗蘭克-阿諾德（Sonja Franke-Arnold）說：「這是有史以來第一次，我們有了一台類似雙向時間旅行的機器。
遺憾的是，對于科幻小說迷來說，這些裝置與1982年的DeLorean沒有任何共同之處。在由中國和奧地利的兩個獨立團隊進行的整個實驗過程中，實驗室的時鐘繼續穩定地向前跳動。
隻有飛過電路的光子經曆了時間上的詭異變化。而且，研究人員還在争論這個「時間之箭的翻轉」是真的還是模拟的。
不過，這種令人困惑的現象可能會導緻新型的量子技術的出現。
颠覆時間的概念
十年前，實體學家在十年前首次意識到，量子力學的奇怪規則推翻了常識中的「時間」概念。
是這樣的。當你尋找一個粒子時，你總是在一個單一的、類似于點的地方檢測到它。
但在被測之前，一個粒子的行為更像是一種波，表現為一個 「波函數」，在多條路線上擴散和振動。在這種未定的狀态下，粒子存在于一種被稱為「疊加」的可能位置的量子态中。
在2013年發表的一篇論文中，現任職于香港大學的實體學家朱利奧·奇裡貝拉（Giulio Chiribella）等提出了一種電路，可以将事件放入時間順序的疊加中，這比空間中的位置疊加更進一步。
四年後，魯比諾和她的同僚直接用實驗證明了這個想法。他們将一個光子送入兩條路徑的疊加中：
在一條路徑中，光子先經曆事件A，然後是事件B，另一條路徑中，先經曆事件B，然後經曆事件A。在某種意義上，每個事件似乎都會引起另一個事件，這種現象後來被稱為不确定的因果關系。
奇裡貝拉和他的同僚并不滿足于在時間前進的過程中僅僅擾亂事件的順序，接下來他們瞄準了時間本身的行進方向，或者說箭頭。他們尋求一種量子儀器，在這種儀器中，時間進入了從過去到未來的疊加狀态，反之亦然--一種不确定的時間之箭。
要做到這一點，研究人員意識到，他們需要一個可以進行相反變化的系統，就像一個節拍器的手臂可以向左或向右擺動一樣。
他們設想将這樣的系統置于疊加狀态，就像一位音樂家同時向右和向左撥動一個「量子節拍器」一樣。
設想提出以後，光學奇才們立即開始在實驗室裡構模組化型。去年秋天，兩個團隊陸續宣布建構成功。
「兩點式」遊戲
研究人員設計了一個隻有量子兩面手才能勝任的遊戲。用光子來玩這個遊戲需要将光子發射到兩個晶體小工具，A和B。向後通過小工具會使偏振以恰好相反的方式旋轉。
在每一輪遊戲之前，「裁判員」秘密地将小工具設定為兩種方式之一。向前穿過A，然後向後穿過B的路徑，會使光子的波函數相對于時間反轉的路徑（向後穿過A，然後向前穿過B）發生移動，反之則不會。
在這場遊戲中，玩家必須弄清楚裁判員做出了哪種選擇。在玩家随心所欲地安排好小工具和其他光學元件後，将一個光子送過迷宮。
光子最終會出現在兩個探測器中的一個。如果玩家以足夠巧妙的方式設定了他們的迷宮，那麼擁有光子的探測器的點選就會顯示出裁判的選擇。
當玩家設定了電路，使光子在每個小工具中隻有一個方向移動，那麼，即使A和B的因果順序不确定，探測器的點選最多隻有大約90%的時間與秘密小工具的設定相符。
隻有當光子經曆了一個疊加，使其向前和向後穿過兩個小工具時（一種被稱為「量子時間翻轉」的現象），才能在理論上赢得每一輪實驗。
去年，位于中國合肥和奧地利維也納的兩個團隊都建立了各自「量子時間翻轉」電路。經過100萬輪的測試，維也納團隊将遊戲成功率提升至99.45%。另一個團隊則在99.6%的回合中獲勝。
這兩個結果都打破了理論上90%的限制，證明了實驗模型中光子經曆了兩個對立變換的疊加，是以代表時間方向的箭頭是不确定的。
解讀「時間翻轉」
雖然研究人員已經執行并命名了量子時間翻轉，但他們對哪個詞最能展現他們的工作，觀點并不完全一緻。
在奇裡貝拉看來，這些實驗模拟了「時間之箭」的翻轉。實際上真正的翻轉，需要将時空結構本身排布成兩種幾何形狀的疊加，其中時間指向不同的方向。
他說：「很明顯，從這個角度出發，這個實驗并沒有實作真正的時間翻轉。」
另一個團隊認為，這些電路的最大意義是，在模拟時空方面邁出了重要的一步。研究人員表示，光子的可測屬性的變化，與它們通過兩個時空幾何形狀的真正疊加時的變化完全一緻。
而在量子世界中，在可測物之外沒有任何現實。「也就是說，從狀态本身來看，模拟和真實的東西之間沒有差別。」
沒有反轉時間？也沒關系
而無論如何，實體學家都希望，這個設計同時以兩種方式流動的量子電路的能力可能會使量子計算、通信和計量學的新裝置成為可能。
法國Néel研究所的量子資訊理論家Cyril Branciard說：「這讓你可以做更多的事情，而不僅僅是以一種順序操作。」
一些研究人員推測，量子時間翻轉的時間旅行味道可能使未來的量子「撤銷」成為可能。還有人預計，同時在兩個方向運作的電路可以使量子機器更有效地運作。
還有研究人員表示：「可以把這種模型用于遊戲，減少所謂的查詢複雜度。」他指的是執行某些任務所需的步驟數量。
這樣的實際應用還遠未得到保證。雖然時間翻轉電路在Chiribella和Liu的猜謎遊戲中打破了理論上的性能極限，但那是一個高度設計的任務，隻是為了突出它們比單向電路的優勢，距離實際應用還非常遙遠。
但怪異的、看似小衆的量子現象卻有證明自己有用的訣竅。知名實體學家安東·齊林格曾認為，量子糾纏-分離的粒子之間的聯系無法帶來任何好處。
今天，量子糾纏将新生的量子網絡中的節點和原型量子計算機中的量子比特聯系在了一起，齊林格對這一現象上的研究為他赢得了2022年諾貝爾實體學獎。而對于量子時間的可翻轉性問題，現在仍處于非常早期的階段。
參考資料：
https://www.quantamagazine.org/how-quantum-physicists-flipped-time-and-how-they-didnt-20230127/