從過(guò)去到未來(lái)，時(shí)間沿著一個(gè)確定的方向流動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)深深扎根于我們的思維中。然而，在微觀層面上，自然法則似乎對(duì)過(guò)去和未來(lái)之間的區(qū)別漠不關(guān)心。在經(jīng)典力學(xué)和量子力學(xué)中，基本的運(yùn)動(dòng)方程都是可逆的，改變時(shí)間符號(hào)仍然會(huì)產(chǎn)生有效的動(dòng)力學(xué)。

最近的研究發(fā)現(xiàn)，在精心設(shè)計(jì)的電路中，光子在時(shí)間上表現(xiàn)得好像是同時(shí)向前和向后移動(dòng)，這不僅可以幫助科學(xué)家改進(jìn)量子計(jì)算并理解量子引力，還可以幫助我們弄清楚宇宙中一些最神秘的現(xiàn)象。

兩個(gè)量子原理

這種“時(shí)間反演”效應(yīng)源于兩個(gè)奇怪原理的融合。第一個(gè)是量子疊加：量子疊加是量子力學(xué)的基本原理。它指出，就像經(jīng)典物理學(xué)中的波一樣，任何兩個(gè)（或更多）量子態(tài)可以疊加在一起，結(jié)果將是另一個(gè)有效的量子態(tài)；相反，每個(gè)量子態(tài)都可以表示為兩個(gè)或兩個(gè)以上不同態(tài)的和。數(shù)學(xué)上，它指的是薛定諤方程解的性質(zhì)。由于薛定諤方程是線性的，任何解的線性組合也是一個(gè)解。這意味著，微小粒子（如電子）能夠同時(shí)以許多不同的狀態(tài)存在，稱為疊加態(tài)。第二個(gè)原理是，電荷、宇稱和時(shí)間反演對(duì)稱性（CPT），它指出任何包含粒子的系統(tǒng)都將遵守相同的物理定律，即使粒子的電荷、空間坐標(biāo)和時(shí)間運(yùn)動(dòng)被反演。

量子時(shí)間翻轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)）（quantum time flip）

通過(guò)結(jié)合這兩種原理，物理學(xué)家產(chǎn)生了一種似乎同時(shí)沿著時(shí)間箭頭和逆時(shí)間箭頭運(yùn)動(dòng)的光子。

2013年的一篇論文中，物理學(xué)家朱利奧·奇里貝拉提出了一種電路，將事件置于時(shí)間順序的疊加中，超越了空間位置的疊加。17年，奇里貝拉這一想法被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

研究人員將一個(gè)光子發(fā)送到兩條路徑的疊加上：一條是經(jīng)歷事件A，然后是事件B，另一條是經(jīng)歷事件B，然后是事件A。在某種意義上，每個(gè)事件似乎都導(dǎo)致了另一個(gè)事件，這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為無(wú)限因果關(guān)系。

時(shí)間之箭

時(shí)間似乎有一個(gè)方向——過(guò)去在后面，固定不變，而未來(lái)在前面，不一定是固定的。然而，在大多數(shù)情況下，物理定律并沒(méi)有指定時(shí)間箭頭，并且允許任何過(guò)程向前或反向進(jìn)行。這通常是由被分析系統(tǒng)中的參數(shù)對(duì)時(shí)間進(jìn)行建模的結(jié)果，其中不存在“固有時(shí)間”：時(shí)間箭頭的方向有時(shí)是任意的。

奇里貝拉設(shè)計(jì)了一種量子裝置，在這種裝置中，時(shí)間進(jìn)入了從過(guò)去流向未來(lái)的疊加態(tài)，反之亦然——一個(gè)無(wú)限的時(shí)間箭頭。

為此，奇里貝拉需要一個(gè)可以發(fā)生相反變化的系統(tǒng)。他設(shè)想將這樣一個(gè)系統(tǒng)置于疊加態(tài)。

光子的游戲

奇里貝拉設(shè)計(jì)了一種裝置，裝置中的激光器向兩個(gè)晶體裝置A和B發(fā)射光子。光子向前穿過(guò)一個(gè)小裝置時(shí)，其自旋偏振取決于裝置的設(shè)置；向后通過(guò)這個(gè)裝置，電子偏振以完全相反的方式旋轉(zhuǎn)。

研究人員設(shè)置電路，使光子在每個(gè)裝置中只向一個(gè)方向移動(dòng)。那么，即使A和B處于不確定的因果順序，探測(cè)器最多在90%的時(shí)間內(nèi)與裝置設(shè)置匹配。只有當(dāng)光子經(jīng)歷一次疊加，使它在兩個(gè)裝置中向前和向后移動(dòng)時(shí)（量子時(shí)間反演），才算成功。

去年，中科大團(tuán)隊(duì)和維也納團(tuán)隊(duì)建立了量子時(shí)間反演電路。在超過(guò)100萬(wàn)輪的測(cè)試中，維也納團(tuán)隊(duì)的成功率為99.45%。中科大團(tuán)隊(duì)的成功率為99.6%。這兩個(gè)團(tuán)隊(duì)都打破了90%的理論極限，這證明了光子經(jīng)歷了兩種相反轉(zhuǎn)變的疊加，因此有一個(gè)無(wú)限的時(shí)間箭頭。

時(shí)間翻轉(zhuǎn)的未來(lái)

很明顯，這個(gè)實(shí)驗(yàn)并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)時(shí)間箭頭的翻轉(zhuǎn)，翻轉(zhuǎn)時(shí)間需要將時(shí)空結(jié)構(gòu)本身排列成兩個(gè)時(shí)間指向不同方向的幾何圖形的疊加。

與此同時(shí)，如果光子通過(guò)兩個(gè)時(shí)空幾何的真正疊加，光子的可測(cè)量屬性會(huì)發(fā)生完全相同的變化。在量子世界中，沒(méi)有超越可測(cè)量范圍的現(xiàn)實(shí)。

物理學(xué)家們希望，設(shè)計(jì)出同時(shí)雙向流動(dòng)的量子電路的能力，可能會(huì)為量子計(jì)算、通信和計(jì)量學(xué)提供新的設(shè)備。雖然時(shí)間翻轉(zhuǎn)電路突破了理論上的性能限制，但這是一個(gè)高度人為設(shè)計(jì)的任務(wù)，只是為了突出它們相對(duì)于單向電路的優(yōu)勢(shì)。

著名物理學(xué)家安東·蔡林格曾經(jīng)認(rèn)為量子糾纏對(duì)任何事情都沒(méi)有好處。如今，量子糾纏將新生量子網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和原型量子計(jì)算機(jī)中的量子位串聯(lián)在一起。對(duì)于量子時(shí)間的可翻轉(zhuǎn)性質(zhì)，一切都還未知。