量子世界存在蝴蝶效应吗？

根据蝴蝶效应，即便是微小的扰动，也能对未来造成非常夸张的影响。不过，最近一项新实验发现，让量子比特回到过去后，即使对其进行加扰，它仍能在未来恢复所有原始信息。本文来自微信公众号：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：Sophie Putka，翻译：张和持，编辑：杨心舟，题图来自：《蝴蝶效应》

在Ray Bradbury的短篇小说《一声惊雷》中，主人公穿越到远古时代去狩猎恐龙，却不小心在史前丛林中踩死了一只蝴蝶，待他回到当下，世界已经大不一样：从空气的味道，英语单词的拼写，到美国总统的选举结果都发生了变化。这里的蝴蝶便是那个影响巨大的扰动因素，“它身形虽小，却能在漫长流逝的时间里，打破平衡，推倒整排小片多米诺骨牌，进而触动大骨牌乃至巨型骨牌。”

Bradbury所描绘的“蝴蝶效应”——即过去的微小变化能对未来造成巨大影响——并不完全是科幻小说式的异想天开。著名数学家与气象学家Edward Lorenz在一次研究中偶然发现，自然系统中的确存在这样的例子：即便是初始状态的微小变化，也能极大地影响最终结果。这种系统被称为混沌系统，人们所熟知的很多现象，如阴晴不定的天气，或者将不同液体混合在一起时的复杂过程，都属于混沌的范畴。

通常在经典力学的体系下，只要已知初始条件，就能在很大程度上预测物体的运动，就像工厂的自动化流程，或是冲向太空的火箭（只需要回忆一下高中所学过的运动，力和动量等）。混沌系统一般来说也是用经典力学描述的，在这种模型中，给定的初始条件同样也能产生相同的结果，但人类的运算总有误差，即使是小数点后数十位的近似，最终也会成为推倒多米诺骨牌的蝴蝶。

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不过，最近《物理评论快报》的一项研究表明，蝴蝶效应在量子领域并不适用。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的两名研究员搭建了一种模拟系统，他们让量子比特（qubit）在量子计算机上沿“时间”前后运动（这种运动称为“演化”）。尽管遭到损坏，实验中的量子比特仍然保留了原始的信息——并没有出现小说里时间旅行中杀死蝴蝶后造成的巨大影响。

其中一位研究员，理论物理学家Nikolai Sinitsyn谈道：“从经典物理的角度来看，这实在是太不可思议了。以前我们认为复杂的演化总存在蝴蝶效应，所以遥远过去的微小改变肯定会让我们的世界天翻地覆“

这项发现拓宽了我们对量子系统的认知，未来或许能应用于信息安全领域。这种性质还可以用来判断某个系统“量子性”的程度。

被保留的信息

量子世界中用以解释亚原子粒子运动的规则确实非常伤脑筋，因为它们会违背传统的逻辑规律。不过，这种规则可以用一句话概括：电子和质子之类的粒子并不是简单地存在于空间中的某个点，而是能在某一刻占据空间中的非常多个点。当然，光这样说仍然会比较晦涩难懂，不过现在我们已经有了很好的数学模型（海森堡于1925年，薛定谔于1926年）来解释量子力学中的奇异现象。

此外，数学模型也可以应用到量子计算机上。量子计算机跟我们平常所用的计算机迥乎不同，它解决某些问题时运行的速度比传统计算机快了指数倍，这是因为量子计算机从原理上遵循了完全不同的物理规则。传统计算机适用的比特（bit）只能代表一个具体的值：不是0就是1。而量子力学中，两个状态可以通过叠加产生新的状态，所以量子比特可以取0和1的任意线性组合（这里的0和1就不是一个数字，而是代表一个状态了）。

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在量子系统中，量子比特的微小改变——即便是观察和测量的过程（称为坍缩）——都会产生巨大的影响。因此研究人员也想知道，在模拟中将量子比特送回过去，并摧毁它的信息后会发生什么。量子力学实验中常常将理论上的过程人格化为“爱丽丝”和“鲍勃”。在这里，他们让爱丽丝带着量子比特回到过去，同时将信息加扰，这个过程称为“反演”。而在过去，鲍勃则作为一个半路杀出的“程咬金”，测量爱丽丝的量子比特，使其发生改变。最后由爱丽丝将量子比特又从过去带回来。

假如发生蝴蝶效应，那么爱丽丝的量子比特携带的原始信息会产生指数级别的改变。然而结果却恰恰相反，即使鲍勃中途杀出，切断了该量子比特和其他量子比特的联系，最后的正向“演化”还是让爱丽丝的量子比特恢复了原有的信息。

“一般大家都会觉得，如果你回到过去，给信息加扰，那信息就彻底没了。”量子计算专家，前达尔豪西大学物理学家Jordan Kyriakidis称，“他们的论文表明，在某些情况下，如果你回到过去，即便有人扰乱了原始信息，在正向演化的过程中，信息都能被复原。”

没有蝴蝶效应的意义

那这是否表明蝴蝶效应根本不存在？其实也不是。Sinitsyn和他的合作者Bin Yan得出的结论只适用于量子世界。

但这并不是说这项研究就没有现实意义。一个可实际应用的例子是信息加密。加密有两个原则：既要让使用者方便解码，又要让别人无法破译。Kyriakidis解释道，如今，如果有黑客想要破解某个密码，即使他不能成功破解，但可以把信息毁掉，这样可以保证别人也没法使用了。而这次的研究或许就能让信息损坏之后重新复原成为可能。

不光如此，这个效应在量子系统中实在是过于特殊，这样或许就能用它来检测量子计算机的完整性。只要任何一台量子计算机能重复Yan和Sinitsyn的实验，那就可以证明该计算机是严格按量子力学规律运行的。量子计算机能成为极其强大的工具，来解决化学，医学乃至交通导航，金融策略领域的复杂问题。鉴于量子计算机极高的错误率，要是能有一种简单易用的检测其性能的手段，那将带来巨大的实际价值。

目前，量子计算技术尚在襁褓之中。不过，如果Yan和Sinitsyn量子时光机能在亚原子领域也存在的话，那未来将拥有无尽的可能。

原文链接：

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：环球科学（ID：huanqiukexue），作者：Sophie Putka，翻译：张和持，编辑：杨心舟