通过模拟量子“时间旅行”来证明量子领域中的蝴蝶效应

在量子计算机上向后发展的量子过程会破坏模拟过去的信息，当返回到“现在”时，几乎不会发生任何变化。

研究人员使用量子计算机模拟时间旅行，证明在量子领域中没有“蝴蝶效应”。在研究中，信息（量子位或量子位）“穿越时空”进入了模拟的过去。隐喻地讲，其中一只被严重破坏，就像踩蝴蝶一样。令人惊讶的是，当所有的量子位都返回“现在”时，它们看起来基本上没有改变，就好像现实在自我修复一样。

洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的理论物理学家尼古拉·辛尼森（Nikolai Sinitsyn）说：“在量子计算机上，模拟逆向演化或模拟将过程追溯到过去没有问题。”也是洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）非线性研究中心的博士后。“因此，如果我们时光倒流，增加小小的伤害并返回，我们实际上可以看到复杂的量子世界会发生什么。我们发现我们的世界得以生存，这意味着量子力学中没有蝴蝶效应。”

在洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个团队进行的研究中，爱丽丝准备了自己的量子比特，并将信息加扰的U U应用于该量子比特和其他许多量子比特。鲍勃以任何方式测量她的量子位，将量子位翻转到爱丽丝不知道的状态。爱丽丝仍然可以通过单个解码unit U†重建她的信息。图片提供：洛斯阿拉莫斯国家实验室

在雷·布拉德伯里（Ray Bradbury）1952年的科幻小说中，“雷声”（A Sound of Thunder）中，一个人物使用时光机走到了更深的过去，在那里他踩着一只蝴蝶。回到现在，他发现了另一个世界。这个故事经常被冠以“蝴蝶效应”一词，这是指一个复杂的动态系统对其初始条件的极高敏感性。在这样的系统中，早期的小因素继续强烈影响整个系统的发展。

相反，Yan和Sinitsyn发现，模拟返回过去以在量子系统中造成较小的局部损伤，在当前只产生很小的，微不足道的局部损伤。

这种效应在信息隐藏硬件和量子信息设备测试中具有潜在的应用。通过将初始状态转换为紧密纠缠的状态，计算机可以隐藏信息。

“我们发现，即使入侵者在强纠缠状态下进行了破坏状态的测量，我们仍然可以轻松地恢复有用信息，因为这种破坏不会被解码过程放大，” Yan说。“这证明了有关创建将用于隐藏信息的量子硬件的讨论是合理的。”

这个新发现也可以用来测试量子处理器是否实际上在按量子原理工作。由于新发现的无蝴蝶效应是纯粹的量子效应，如果处理器运行Yan和Sinitsyn的系统并显示出这种效应，则它必须是量子处理器。

为了测试量子系统中的蝴蝶效应，Yan和Sinitsyn使用IBM-Q量子处理器的理论和仿真来说明电路如何通过应用量子门来发展复杂的系统，并具有前后因果关系。

Presto，量子时间机器模拟器。

在该小组的实验中，爱丽丝（Alice）是最喜欢的量子思想实验中的替身代理，她准备了当前的一个量子位，并通过量子计算机向后运行。在过去，入侵者-鲍勃（Bob）是另一个喜爱的替身-测量爱丽丝的量子比特。这一行为扰乱了量子位，并破坏了其与世界其他所有量子的相关性。接下来，系统将向前运行到当前时间。

根据雷·布拉德伯里（Ray Bradbury）的说法，鲍勃对国家的微小损害以及过去的所有这些关联都应该在复杂的时空演变过程中迅速放大。因此，爱丽丝最终将无法恢复其信息。

但这不是事实。Yan和Sinitsyn发现，目前的大多数本地信息都以本质上量子相关的形式隐藏在深深的过去，这些细节不会因轻微的篡改而受损。他们表明，尽管鲍勃（Bob）干扰了，但信息仍返回爱丽丝（Alice）的量子位，而没有造成太大破坏。与直觉相反，对于更深入的过去旅行和更广阔的“世界”，爱丽丝的最终信息返回给她的损失甚至更少。

辛尼辛说：“我们发现古典物理学和量子力学中的混沌概念必须有不同的理解。”

参考：Bin Yan和Nikolai A. Sinitsyn撰写的“受损信息的恢复和过期的关联器”，2020年7月24日，《物理评论快报》。