能复活超级英雄的除了时间宝石，还有量子计算机？

图片来源@视觉中国

文 | 脑极体

四月最值得期待的新片，绝对非《复仇者联盟4》莫属了。

打个响指就消灭了全宇宙一半人的灭霸，上一部虐的善男信女们死去活来。在最新的海报中，32位复联英雄只能以“黑“和“白”阴阳两隔的形式出现，生死相望。

想想都森气，灭霸必须死，不接受别的结局，否则编剧就等着收刀片吧！

但在此之外，被灭霸搞消失的超级英雄和人类还能回来吗？最有可能性的方案就是通过某种超能力或者道具逆转时间线。

最近国外媒体的一则爆炸性新闻发现，除了并不真实存在的时间宝石，量子计算机也能逆转时间，虽然只是几分之一秒，但也足够令人兴奋了。

到底是“标题党”还是确有其事？人类真的能逆转时间之轮么？我们先来聊聊这篇论文到底说了些什么？

逆转时间：量子计算机的新能力？

如果你发现一盘被打散的台球在没有任何外部干预情况下自动回到了三角框里，一定会觉得是有人用倒放欺骗了你的眼睛。

毕竟连几千年前的古人都知道“逝者如斯夫，不舍昼夜”。后来的物理学也证明，宇宙的终极规则是“熵”，如果不施加外力，所有的事物都会从有序走向无序。总之，时间倒流是违反热力学第二定律的。

因此，最近莫斯科物理与技术研究所、美国阿贡实验室和苏黎世联邦理工学院的研究人员在《科学报告》（Scientific Reports）上发表的一篇论文，声称可以利用IBM的量子计算机逆转“时间之箭”，就迅速吸引了国外媒体争相报道，其中不乏一些老牌的科学媒体，比如《发现》（Discover）。

在经典物理学中，粒子散射就如同前面提到的打台球一样，被球杆击打的台球会以直线行进，要将其恢复到本来的状态，就如同把破碎的茶杯重新组合在一起，显然是不可能的。

但在量子世界中，分散的例子会像多个方向扩散，它的行进方向，是一个如同把石头扔进池塘时产生的环状波纹。因此，要将粒子恢复到原始状态，就需要一个“超级系统”，来提供外力发现并正确操纵量子波。

（实验的四个阶段）

为了更清晰地了解整个研究，我们来复盘一下实验的四个不同阶段：

• 阶段1：秩序。研究者勾勒出了一个小区域，让每个量子位元如同三角框中的台球一样，以高度有序的状态待在固定区域内；
• 阶段2：演进。启动量子计算机的进化程序，量子位元如同被球杆推动的台球，开始向更大的区域扩散，变得混乱而复杂。
• 阶段3：时间逆转。这时，通过一个设计精确的特殊程序，量子计算机就可以诱导时间“向后”逆转，从混沌走向有序。就像出现一位大神，给台球桌施加了完美计算的一记踢脚。
• 阶段4：重生。如果“踢”成功了，阶段2的反向操作就开始启动，量子位元会沿着行进轨迹折返回去，最终复位成初始状态的“三角形”。

研究人员在双量子位量子计算机中，得到了85%的相同成果。考虑到量子力学是由概率而不是确定性决定的，或许得出这个结论并不困难：在科学上实现时空旅行的几率是相当高的。这直接颠覆了人们的既有认知。

但事实果真如此吗？

时间逆转是不可能的，这辈子都不可能

在一个分离成遥远部分的量子系统中，局部违反热力学第二定律被证明是可能的，难怪领导这项研究的资深科学家瓦莱里·维诺库(ValeriiVinokur)认为：“我们做了以前认为不可能的事情。”

在被记者问到，这项研究能不能“让老年人重新年轻”时，维诺库也玩笑式地肯定，“也许（可以）”，只要“有了适当的资金”。

别说了我会相信的！恐怕很多人都难以抵御这样的神话，如果时间能够倒流，多少遗憾都不会发生，多少传奇人生会被改写？最起码年轻几岁多享受下人生也很值得期待不是嘛？

But，原本很有趣的实验被包装成“逆转时间之箭”的成果发表出来的时候，很容易就从科学新发现推到谣言的边缘。

之所以这么说，是因为研究者们隐藏了很多关键信息，只把最吸引眼球的部分曝露给大众。

关键信息1：实验的局限性。

不难发现，实验是在一个非常小的局部区域内进行观察和演算的。这意味着，想要将实验结果推导到真实的宇宙中，研究者需要精准地知道粒子在太空中的位置。

但现实情况是，宇宙始终受到“熵”的影响，不断向着混乱的方向发展。含有电子的空间区域会很快扩散，“薛定谔的猫”会从盒子里跑掉，人们根本不可能知道电子的精确位置，逆转时间也就无从谈起。

（经过130多亿年的膨胀，宇宙变得越来越无序）

关键信息2：观察的可能性。

之所以研究者必须要将实验局限在特定范围内，是因为要在自然界中定位粒子实在是太困难了。

其实，在非实验条件下，粒子也会和环境相互作用，类似逆转的情况也偶有发生，如同台球碰到桌沿反弹回原位一样。但为什么我们从来没有发现过“时间逆转”的现象呢？

因为在宇宙中观察电子复位这种偶发事件，基本不可能。一个人需要花费和宇宙生命一样漫长的时间（137亿年）来定位电子的位置，然后忧伤地发现粒子的反向演变可能只会发生一次，并且只是回到不足一百亿分之一秒的过去。

放到更大规模和更长时间尺度的事物上，比如台球运动、火山喷发什么的，往往有着惊人数量的电子和其他粒子。去思考逆转它们，就像给猴子一台打印机教它写出一本莎士比亚诗歌，理论上讲只要时间足够长，总是有可能实现的，尽管这么做毫无意义。

（台球中一次击球的长时间曝光摄影）

关键信息3：结果的可用性。

当然了，梦想是要有的。但即使是在非常理想的情况下，花费漫长的时间在宇宙中定位到了想要让时间倒流的事物，目前的量子计算机算法还不足以支撑如此庞大的行为艺术。

该实验采用的算法模型，当量子位元增加到第三个的时候，就只剩50%的成功率了。研究人员解释说，随着更复杂的设备涉及，算法的错误率会下降，并且会不断消除噪音来更新算法。

那么问题来了，同样的模拟过程在现有的电脑上也能够实现，只需要把时间向相反的方向模拟就可以了。现在只是把设备换成IBM的量子计算机，等于告诉大家普通的人类小男孩套上钢铁侠的装备就能打败灭霸……我信你个鬼，你个论文坏得很！

果然很快就有国外的量子科学家直接打脸，公开批评该研究“不是时间机器，也没有违反任何物理定律。”

“标题党”的背后

尽管“逆转时间”的大肆炒作，距离谣言也不远了，但这项实验也并非一无是处。

至少，它让量子计算以一种奇趣的方式走进了大众视野，展现出了技术背后的无尽可能性。并且，通过时间实验来有效地返回并清除错误，能够大大降低量子计算机的故障率，提高它的工作效率，为后续的产业应用铺平道路。

同时，它也展现出今天量子计算发展进程中的某些尴尬。

如今几乎所有有实力的国家，包括美国、中国、日本等，以国防、军工为代表的顶级科研力量都开始在量子计算领域发力。IBM、谷歌、百度、阿里巴巴等国际顶尖的科技企业也都在加大量子计算机的研发和商用力度。

在这样“自上而下”的技术风潮中，量子计算被曲解成了一种神秘的未来武器。

大众很容易认为并且相信，量子计算机能够完成经典计算机所不能完成的任务，这也是为什么，“时间逆转”这样的“标题党”居然能够忽悠到一些老牌科技媒体的背书。

为了避免舆论的过度“捧杀”而太快进入“技术幻灭期”的冷宫，我们不妨通过这起“装逼失败”的案例，来说说量子计算应用的真实限制：

首先，现有的硬件距离实用水平还有很长一段路要走。

量子计算机想要取代经典计算机，首先要达到50量子比特的水平。目前的最新进展是，IBM已经开发出了50量子比特的量子计算原型机，Google也推出了72量子比特的计算芯片。

但这并不意味着量子计算机可以立马完成很多经典计算机做不到的工作。因为量子比特数量的增加并不是硬件能力的唯一要素，还必须增加相干性才行。

简单来说就是，量子比特是以串列的形式进行运动的，只要计算机对一个量子比特进行处理，影响就会立即传送到其他的量子比特上。量子相关性越大，量子计算机的运算效率才会越高。但如何提升相干性，目前依然面临不小的挑战。

另外，工程上编写量子算法的经验和思维尚不完备。

从“时间逆转”实验中不难看出，研究人员最终是将传统计算机的逻辑和方式，架设在量子计算机的硬件能力之上，用来解决传统计算机解决过的问题。换句话说，量子计算机在其中发挥的作用，只是提供更大规模的算力和“噱头”罢了。

这是因为，算法的不同，决定了量子计算机和传统计算机的编程方式也大不一样。

举个例子，我们为一颗晶体拍了一些X射线照片，并试图通过这些照片恢复出晶体的结构。

如果是传统的计算机算法，那就是对着这个晶体的整体图案进行因式分解。当然中间需要经过复杂的样本计算，但归根结底，它的逻辑还是符合人类的认知常识。

但量子算法却非常反直觉。它不需要看到整张照片，针对几个包含关键信息的样本点进行并行运算并将结果组合起来，就能还原出整个晶体的形状。

要搞量子计算，意味着现有开发人员所掌握的传统计算机技能几乎是完全用不上的。编写不出合理的量子计算机算法，可不就只能“杀鸡用牛刀”了嘛。

（受X射线晶体学启发产生了多项式运行时间的量子算法）

从目前的大环境看来，量子计算机更擅长的，是发挥指数加速运算的优势，解决经典计算机无法处理的数学问题。

比如对飞机路线或铁路网络进行优化升级，可能产生2的n次方种可能性，研究人员需要尝试每一种可能性找到最佳解决方案。经典计算机可能需要漫长的时间才能完成，而一台100量子比特的量子计算机能够通过一次操作就搞定它。

这种强大的能力如果广泛运用到材料科学或药品研发等领域，即便不能逆转时间，也足以让时间带来的损耗最小化，让人类的遗憾来的更晚、更少一点。

相反地，那些总想搞事情的大新闻，要么脱离实际效率不高，要么老瓶装新酒的过度包装，反而可能加深大众对量子计算不切实际地想象。

或许在遥远的某一天，人类真的可以开启时光机器。至少现在，想要靠逆转时间拯救全宇宙，恐怕还是得依靠漫威英雄的“超能力”了！