在量子领域中,存在蝴蝶效应吗?

Posted By on August 30, 2020

 

在量子领域中,存在蝴蝶效应吗?

原理

  在一些科幻故事中,蝴蝶是一种神奇的小生灵,它们可以打破平衡,凭借其微小的能量,引发一连串越来越重大的事件,制造出一场山崩地裂。这种神秘的效应在许多文学作品和影视作品中都有过出现,比如电影《生活多美好》(1946),科幻小说《雷鸣之音》(1952),电影《蝴蝶效应》(2004)中等等。

这种过去的一个微小变化,导致了在未来出现巨大变化的效应,并不只存在于虚拟世界中。上世纪60年代,美国气象学家爱德华·洛伦兹(Edward Lorenz)在使用计算机程序进行计算时,将初始数值0.506127省略地设置成了0.506,结果生成了完全不同的天气场景。这一偶然的发现让他意识到,在自然系统中,初始条件上出现的微小变化,可以导致发生了剧烈变化的结果。他用“蝴蝶效应”这个词语来生动地描述这种现象。

在物理学中,那些微小的变化不会产生大影响的系统被称为非混沌系统,而蝴蝶效应所探讨的则被称为混沌系统。非混沌系统是非常罕见的,而混沌系统却比比皆是,天气的演变、流体的混合都属于混沌系统的范畴。可以说,混沌系统普遍存在于经典物理学。

那么在由量子物理支配的量子世界,情况又如何呢?最近,《物理评论快报》上刊登了一项新的研究,表明物理学家通过创建一个计算机模拟程序,证实了蝴蝶效应在量子领域中并不适用。

在量子世界中,量子物理学的定律描述了亚原子粒子的运动。这些定律常常有悖于我们的直觉和常规逻辑。比如根据量子力学,像电子这样的微小粒子并不会简单地存在于空间中的某个点上,而是可以同时占据多个位置。

而根据量子力学中的定律运行的量子计算机,也完全不同于我们熟知的经典计算机。与经典计算机相比,量子计算机能以指数级的速度解决某些问题的机器;经典计算机只涉及到0或1的比特,而量子计算机所使用的是量子比特,能以0或1的叠加态出现。

叠加态是量子系统所独有的特性,在这些系统中,量子比特的微小变化也能产生巨大的影响。在新的模拟中,研究人员想知道,当他们让一个量子比特在一个量子计算机里进行“时间旅行“,并且让其中一个量子比特在这趟时间之旅中遭到严重的破坏时,会发生什么。

具体来说,在模拟中,研究人员让“Alice“(量子思想实验中的常驻嘉宾)持有一些量子比特,并通过逆运行量子计算机,让Alice将其中一个量子比特带回到过去。当她回到遥远的过去,“Bob“(量子思想实验中的另一常驻嘉宾)就会对Alice的量子比特进行测量,并破坏这个量子比特与世界的量子关联。接着,研究人员让量子计算机正向运行,让Alice将这个被改变的量子比特带回到现在。

如果蝴蝶效应在量子领域中仍然适用,那么Bob对量子比特造成的微小损耗将会在复杂的正向运行中被迅速放大,因此Alice将无法从这个量子比特中恢复原始信息。但是根据模拟结果来看,随着时间的推移,即便有Bob的干扰,Alice仍神奇地恢复了她的原始信息。

这样的模拟结果非常令人意外。这有别于我们过去对时间旅行的认知,即在做出了一点改变之后,世界会变得无法辨认。这意味着,蝴蝶效应并不存在于量子领域中,表明在经典物理学和量子力学中,需要不同地看待混沌的概念。

这一发现也进一步地加深了我们对量子系统的理解,为现实世界中的一些应用带来了启示。

以信息加密为例,加密遵循两个重要的原则,一个是它需要被藏匿得非常好,使得其他人无法从中获取信息;另一个是信息的目标用户需要可以通过可靠的方法对它进行破译。因此当一个黑客想要破解隐藏一个信息时,他或许无法破译它,但可以选择对它进行破坏,从而阻止其他人阅读到原始信息。而新的研究结果则为避免这种情况发生提供了一个新方法,使得信息即便遭到了破坏,也能让接收者接收到它。

此外,由于这种效应是量子系统独有的,因此理论上看,它可被用来检验量子计算机的工作性能。如果未来有人能在量子计算机上重演这项研究所展现的模式,那么就可以证明这个系统确实是按照量子原理运行的,这对于出错率极高的量子计算机来说意义重大。