时间能“翻转”吗？

通过操纵光子的行为，能够让时间看上去像是同时在两个方向上流动。

在这篇节选自《环球科学》4月新刊的文章（原刊于Quanta Magazine）中，查理·伍德将带着我们看看光子的时间箭头经历诡异翻转的现象，究竟是真实的还是模拟的？

十年前，物理学家首次意识到量子力学的奇异规则推翻了常识性的时间概念。量子奇异性的本质在于：当你寻找一个粒子时，你总能在一个位置点探测到它，但在被测量之前，它的行为更像是波，具有一个“波函数”且能在多条路径上传播。因此被观测前的粒子位置具有不确定性，它处于所有可能位置的量子叠加态上。

2013年的一篇论文中，现就职于香港大学的物理学家朱利奥·奇里贝拉（Giulio Chiribella）与合著者提出了一种可将事件置于时间方向叠加态的电路。4年后，英国布里斯托大学的研究团队用实验验证了这个理论方案。他们使一个光子经历两条路径的叠加态，其中一条路径经历了事件A，然后是事件B；另一条则先是B，随后才是A。某种意义上讲，这两个事件互为因果，这种现象后来被称为不定因果关系。

但奇里贝拉和同事并不满足于仅在时间向前时打乱事件发生的顺序。他们设想了一种量子装置，时间会在其中进入从过去到未来、以及从未来到过去两种方向的叠加状态。为此，他们需要一个可以发生翻转的时间箭头系统，并能使这个系统处于量子叠加态。

他们设计了一种只有掌握了量子双时特性才能胜出的游戏。游戏中光子将射向两个晶体装置A和B，从前方通过装置会偏转光子的偏振方向，反向通过装置则会产生正好相反的偏转，而偏转量取决于实验装置的设置。

在每一轮比赛前，裁判员会秘密地在两条路径（向前通过A，或向后通过B）之一上设置装置，决定光子的波函数是否沿时间反演的路径（也就是向后通过A，或向前通过B）变换。玩家必须对裁判的选择进行判断。在玩家按照他们的想法排列好装置和其他光学元件后，通过半镀银镜将发射的光子分成两条路径的叠加。最终光子会穿过迷宫，被某个探测器捕捉。如果设置足够巧妙，捕捉到光子的探测器发出的响声就会揭示裁判的选择。

当光子只能沿一个方向通过装置时，探测器匹配秘密设置的准确度最高只能达到90%。只有当光子经历了一次叠加，使它在两个装置中同时向前和向后通过时——这种策略被称为“量子时间翻转”——玩家才能在理论上赢下每一轮。

去年秋天，由奇里贝拉担任顾问的中国合肥团队和由物理学家查斯拉夫·布鲁克纳（Caslav Brukner）担任顾问的维也纳团队都成功实现了量子时间翻转电路。在超过100万轮的测试中，维也纳团队的正确率为99.45%，合肥团队则达到了99.6%。他们都打破了理论上90%的限制，证明了他们的光子经历了两种相反的转换叠加，实现了不确定的时间箭头。

虽然量子时间翻转已经被成功执行，但对于如何更准确地描述这一成果，研究人员并没有取得共识。在奇里贝拉看来，这些实验只是一种模拟。而布鲁克纳则认为实验比模拟更进一步。

无论哲学倾向如何，物理学家都期待以这一实验成果为基础创造新的可能性。例如借助量子时间翻转的“时间旅行”特性，在未来实现量子“撤消”功能；或是利用这种电路让量子计算机更高效地运行。不过这些应用离成为现实都还很遥远，因为猜谜游戏中的时间翻转电路是一项高度人为设计的任务，只是为了突出它们相对于单向电路的优势。

但怪异且不为人知的量子现象确实有着实用的前景，比如量子纠缠现象曾被认为毫无用处，但如今它已是量子科技领域的基石。因此，如何评价量子时间可翻转性的潜力，还为时尚早。

本文为《环球科学》2023年4月刊的物理观察《时间能“翻转”吗？》；原刊于西蒙斯基金会发起的Quanta Magazine，原标题为“How Quantum Physicists ‘Flipped Time’ (and How They Didn’t)”。

封面图片来源：Quanta Magazine