量子計算機：更擅長理解「倒放的電影」！
背景
著名的物理學家斯蒂芬霍金，在其創作的科學著作《時間簡史》中提到了時間箭頭。
他描述道：「無序度或熵隨著時間增加是一個所謂的時間箭頭的例子。時間箭頭將過去和將來區別開來，使時間有了方向。至少有三種不同的時間箭頭：第一個，是熱力學時間箭頭，即是在這個時間方向上無序度或熵增加；然後是心理學時間箭頭，這就是我們感覺時間流逝的方向，在這個方向上我們可以記憶過去而不是未來；最後，是宇宙學時間箭頭，在這個方向上宇宙在膨脹，而不是收縮。」
由於時間箭頭讓時間有了方向，所以當我們倒著觀看電影時，常常會感到困惑不解。例如，正常的時間順序下，我們會看到一個杯子從桌子上滑落然後摔碎在地上；然而倒序播放時，我們會看到摔碎在地上的杯子，又重新回到桌子上，變得完好無損。但是這種倒序發生的事件，往往與我們心中的因果規律（原因被認為發生在結果之前）相矛盾，讓我們難以理解。
創新
然而，量子計算機似乎更擅長理解「倒放的電影」。新加坡國立大學量子技術中心（CQT）和南洋理工大學的研究人員 Mile Gu 與合作夥伴們一起研究得出這一結論。
在一篇於7月18日發表在《Physical Review X》期刊上的研究論文中，這支國際研究團隊展示了量子計算機比經典計算機更少地受制於時間箭頭。在某些情況下，量子計算機彷彿根本無需區別因與果。
（圖片來源：Aki Honda / 新加坡國立大學量子技術中心）
技術
大約十年前，加州大學戴維斯分校複雜性科學家 James Crutchfield 和 John Mahoney 的頗具影響力的發現，啟發了這項新研究。他們展示了許多統計數據序列都具有內置的時間箭頭。觀察者從開始播放到結束一直在觀看數據，如同一幅幅電影畫面一樣。他們可以通過對於之前發生的事情的少量記憶，為將要發生的事情建模。如果觀察者嘗試以倒序的方式為系統建模，那麼難度會大得多，需要追蹤的信息量可能要多幾個數量級。
這項發現被稱為「因果不對稱性」（causal asymmetry）。它似乎是憑直覺獲知的。歸根結底，當時間正在倒退時為系統建模，就像通過結果推斷出原因。按照我們的日常習慣，從結果推斷出原因，要比從原因推斷出結果難很多。在日常生活中，如果你知道了剛剛發生過什麼，以及在這之前發生了什麼，理解下一步發生的事情將變得更容易。
然而，研究人員常常沉迷於探索與時間順序相關的不對稱性。這是因為物理學的基本定律，對於時間是向前還是向後發展，有點含糊不清。
Gu 問道：「當物理學沒有賦予時間任何方向時，不對稱性（顛倒因果的記憶開銷）又從何而來？」
最初的因果不對稱性研究，採用經典物理模型生成預測。Crutchfield 和 Mahoney 與 Gu 及其 CQT 的合作夥伴Jayne Thompson、Andrew Garner、Vlatko Vedral 一起合作，想要弄清楚量子力學是否會改變情況。
他們發現，量子力學確實改變了情況。團隊證實，採用量子力學的模型可以完全減少記憶開銷。用於仿造倒序時間過程的量子模型，總是勝過建模順序時間過程的經典模型。
（圖片來源：參考資料【2】）
（圖片來源：參考資料【2】）
（圖片來源：參考資料【2】）
價值
這項研究會產生一些意義深遠的影響。論文的第一作者 Thompson 表示：「對於我們來說，最激動人心的事情就是與時間箭頭之間可能存在的聯繫。如果因果不對稱性只發生在經典模型中，這就表示我們對於因果以及時間的觀察，來自對於根本上屬於量子世界的事件的經典解釋。」
下一步，團隊想要理解它與其他的時間理念之間如何聯繫的。Vedral 表示：「每個社區都有自己的時間箭頭，每個人都想要解釋他們從何而來。」Crutchfield 和 Mahoney 將因果不對稱性稱為時間 "倒鉤"的示例。
最具代表性的就是「熱力學箭頭」。它來自混亂度或熵，總是在每件發生的事情中，這裡一點那裡一點地增加，直到宇宙消失在巨大的熱混亂中。雖然因果不對稱性與熱力學箭頭不同，但是它們之間是相互關聯的。追蹤更多信息的經典模型也製造了更多的混亂。Thompson 表示：「這表明因果不對稱性會帶來熵。」
這些研究成果也具有實用價值。消除顛倒因果帶來的經典開銷，將會幫助量子模擬。Gu 表示：「如同以反轉的時間順序播放一部電影，有時我們可能需要搞清楚以本質上很難建模的次序呈現的東西。在這種情況下，量子模型比相應的經典模型效率要高得多。」
關鍵字
量子、時間、計算機
參考資料
【1】https://www.quantumlah.org/about/highlight.php?id=308
【2】http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevX.8.031013
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