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根據蝴蝶效應，即便是微小的擾動，也能對未來造成非常誇張的影響。不過，最近一項新實驗發現，讓量子比特回到過去後，即使對其進行加擾，它仍能在未來恢複所有原始資訊。
作者丨Sophie Putka
翻譯丨張和持
編輯丨楊心舟
在Ray Bradbury的短篇小說《一聲驚雷》中，主人公穿越到遠古時代去狩獵恐龍，卻不小心在史前叢林中踩死了一隻蝴蝶，待他回到當下，世界已經大不一樣：從空氣的味道，英語單詞的拼寫，到美國總統的選舉結果都發生了變化。這裡的蝴蝶便是那個影響巨大的擾動因素，“它身形雖小，卻能在漫長流逝的時間裡，打破平衡，推倒整排小片多米諾骨牌，進而觸動大骨牌乃至巨型骨牌。”
Bradbury所描繪的“蝴蝶效應”——即過去的微小變化能對未來造成巨大影響——并不完全是科幻小說式的異想天開。著名數學家與氣象學家Edward Lorenz在一次研究中偶然發現，自然系統中的确存在這樣的例子：即便是初始狀态的微小變化，也能極大地影響最終結果。這種系統被稱為混沌系統，人們所熟知的很多現象，如陰晴不定的天氣，或者将不同液體混合在一起時的複雜過程，都屬于混沌的範疇。
通常在經典力學的體系下，隻要已知初始條件，就能在很大程度上預測物體的運動，就像工廠的自動化流程，或是沖向太空的火箭（隻需要回憶一下高中所學過的運動，力和動量等）。混沌系統一般來說也是用經典力學描述的，在這種模型中，給定的初始條件同樣也能産生相同的結果，但人類的運算總有誤差，即使是小數點後數十位的近似，最終也會成為推倒多米諾骨牌的蝴蝶。
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不過，最近《實體評論快報》的一項研究表明，蝴蝶效應在量子領域并不适用。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的兩名研究員搭建了一種模拟系統，他們讓量子比特（qubit）在量子計算機上沿“時間”前後運動（這種運動稱為“演化”）。盡管遭到損壞，實驗中的量子比特仍然保留了原始的資訊——并沒有出現小說裡時間旅行中殺死蝴蝶後造成的巨大影響。
其中一位研究員，理論實體學家Nikolai Sinitsyn談道：“從經典實體的角度來看，這實在是太不可思議了。以前我們認為複雜的演化總存在蝴蝶效應，是以遙遠過去的微小改變肯定會讓我們的世界天翻地覆“
這項發現拓寬了我們對量子系統的認知，未來或許能應用于資訊安全領域。這種性質還可以用來判斷某個系統“量子性”的程度。
被保留的資訊
量子世界中用以解釋亞原子粒子運動的規則确實非常傷腦筋，因為它們會違背傳統的邏輯規律。不過，這種規則可以用一句話概括：電子和質子之類的粒子并不是簡單地存在于空間中的某個點，而是能在某一刻占據空間中的非常多個點。當然，光這樣說仍然會比較晦澀難懂，不過現在我們已經有了很好的數學模型（海森堡于1925年，薛定谔于1926年）來解釋量子力學中的奇異現象。
此外，數學模型也可以應用到量子計算機上。量子計算機跟我們平常所用的計算機迥乎不同，它解決某些問題時運作的速度比傳統計算機快了指數倍，這是因為量子計算機從原理上遵循了完全不同的實體規則。傳統計算機适用的比特（bit）隻能代表一個具體的值：不是0就是1。而量子力學中，兩個狀态可以通過疊加産生新的狀态，是以量子比特可以取0和1的任意線性組合（這裡的0和1就不是一個數字，而是代表一個狀态了）。
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在量子系統中，量子比特的微小改變——即便是觀察和測量的過程（稱為坍縮）——都會産生巨大的影響。是以研究人員也想知道，在模拟中将量子比特送回過去，并摧毀它的資訊後會發生什麼。量子力學實驗中常常将理論上的過程人格化為“愛麗絲”和“鮑勃”。在這裡，他們讓愛麗絲帶着量子比特回到過去，同時将資訊加擾，這個過程稱為“反演”。而在過去，鮑勃則作為一個半路殺出的“程咬金”，測量愛麗絲的量子比特，使其發生改變。最後由愛麗絲将量子比特又從過去帶回來。
假如發生蝴蝶效應，那麼愛麗絲的量子比特攜帶的原始資訊會産生指數級别的改變。然而結果卻恰恰相反，即使鮑勃中途殺出，切斷了該量子比特和其他量子比特的聯系，最後的正向“演化”還是讓愛麗絲的量子比特恢複了原有的資訊。
“一般大家都會覺得，如果你回到過去，給資訊加擾，那資訊就徹底沒了，”量子計算專家，前達爾豪西大學實體學家Jordan Kyriakidis稱，“他們的論文表明，在某些情況下，如果你回到過去，即便有人擾亂了原始資訊，在正向演化的過程中，資訊都能被複原。”
沒有蝴蝶效應的意義
那這是否表明蝴蝶效應根本不存在？其實也不是。Sinitsyn和他的合作者Bin Yan得出的結論隻适用于量子世界。
但這并不是說這項研究就沒有現實意義。一個可實際應用的例子是資訊加密。加密有兩個原則：既要讓使用者友善解碼，又要讓别人無法破譯。Kyriakidis解釋道，如今，如果有想要，即使他不能成功破解，但可以把資訊毀掉，這樣可以保證别人也沒法使用了。而這次的研究或許就能讓資訊損壞之後重新複原成為可能。
不光如此，這個效應在量子系統中實在是過于特殊，這樣或許就能用它來檢測量子計算機的完整性。隻要任何一台量子計算機能重複Yan和Sinitsyn的實驗，那就可以證明該計算機是嚴格按量子力學規律運作的。量子計算機能成為極其強大的工具，來解決化學，醫學乃至交通導航，金融政策領域的複雜問題。鑒于量子計算機極高的錯誤率，要是能有一種簡單易用的檢測其性能的手段，那将帶來巨大的實際價值。