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的过去的信息，当返回到“现在”时，几乎不会产生任何变化。

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，就像踩在蝴蝶上一样。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是没有问题的，”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研究小组的研究中，爱丽丝准备了自己的量子位，并将信息加扰的U U应用于该量子位和许多其他量子位。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†来重建她的信息。

在雷·布拉德伯里（Ray Bradbury）1952年的科幻小说中，“雷声”（A Sound of Thunder）中，一个角色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，他发现了一个不同的世界。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的敏感性。在这样的系统中，早期的小因素会继续强烈影响整个系统的发展。

相反，Yan和Sinitsyn发现，模拟回到过去以在量子系统中造成较小的局部损伤，只会导致目前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，信息可以被计算机隐藏。

“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，由于解码过程不会放大这种破坏，我们仍然可以轻松地恢复有用的信息，” 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。”

“在量子计算机上，模拟时间逆向演化或模拟将流程倒退到过去没有问题。”—尼古拉·辛尼辛（Nikolai Sinitsyn）

这个新发现还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，那么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，一个量子时间机器模拟器。

在小组的实验中，爱丽丝（Alice）是最喜欢的量子思想实验用替代代理，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）是另一个最喜欢的替身-测量爱丽丝（Alice）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，在复杂的时间演变过程中，鲍勃对国家的微小损害以及过去的所有关联都应迅速放大。因此，爱丽丝最终将无法恢复其信息。

但这不是发生的事情。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较深的过去，这些相关性不会因轻微的篡改而受到破坏。他们表明，尽管鲍勃（Bob）干涉了，但信息仍返回爱丽丝（Alice）的量子位，而没有造成太大破坏。违反直觉，为了更深入地探究过去和获得更大的“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时的关联器”，2020年7月24日，《物理评论快报》。DOI：
10.1103 / PhysRevLett.125.040605

这项工作得到了美国能源部科学办公室的支持。