在量子领域中，存在蝴蝶效应吗？

通过让一个量子比特“回到过去”，物理学家证明在量子世界中不存在的蝴蝶效应。本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，题图来自：视觉中国

一

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。

二

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。

三

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。

参考来源：

https://www.lanl.gov/discover/news-release-archive/2020/July/0728-quantum-time-travel.php

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.125.040605

https://www.discovermagazine.com/the-sciences/does-the-butterfly-effect-exist-maybe-but-not-in-the-quantum-realm

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨