量子蝴蝶无效应

混沌理论认为，一个微小的、微不足道的事件或环境可能会对塑造一个庞大而复杂的系统进入未来的方式产生巨大的影响。许多人都熟悉这种所谓的蝴蝶效应，这种想法通常可以追溯到科幻作家雷·布拉德伯里(Ray Bradbury)1952年的小说“雷霆之声”(A Sound Of Thundern)。在那个故事中，一个人穿越到遥远的过去去猎杀一只暴龙霸王龙，不经意间把一只蝴蝶压在了他的脚下。当他回到现在的时候，他发现这个看似微不足道的行为改变了历史的进程-而且不是以一种好的方式。

20世纪70年代初，气象学家和数学家爱德华·诺顿·洛伦茨阐明了科学中的蝴蝶效应，开创了混沌理论领域。用通俗易懂的话说，这个版本的效应说，初始条件强烈影响高度复杂系统的演化。在洛伦兹的比喻中，巴西蝴蝶翅膀的拍打最终可能导致德克萨斯州的龙卷风，否则就不会发生龙卷风。言下之意，如果你能回到过去，甚至稍微改变一下过去，一个不同的未来将在系统内演变。包含你现在的未来将会消失。

蝴蝶效应在我们的日常生活中得到了很好的接受，在我们的日常生活中，经典物理学描述了原子尺度以上的系统。但在量子力学占主导地位的亚微观世界中，适用着不同的-而且非常奇怪的-规则。蝴蝶效应仍然有效吗？如果不是，会发生什么呢？

正如我们在“物理评论快报”的一篇同行评议文章中所描述的那样，我们在开发一种保护量子信息的新方法时探索了量子力学的这一方面。利用复杂演化引起的量子纠缠特性，我们希望将量子比特(量子比特)置于一种对损伤免疫的状态。这样，即使有人试图破坏或窃取信息，也可以在没有更改的情况下检索它们。这种能力将有助于保护量子信息，并提供一种隐藏信息的方法。

为了做到这一点，我们从使用量子力学方程式的理论分析开始-这是一部古老的白板作品。然后我们在IBM-Q量子处理器上做了一个实验。

在白板理论阶段，我们通过测量并因此改变一个量子比特，将复杂量子系统的演化与相同设计的系统进行了比较，但初始条件发生了局部变化。我们期望得到一个与经典结果相似的结果。也就是说，随着系统在足够长的时间内进化，我们认为描述曾经的孪生系统中特定量子比特的局部变量最终会有非常不同的值-换句话说，蝴蝶效应。

在我们的思维实验中，我们招募了每一个量子理论家的老朋友，爱丽丝和鲍勃，他们是我们的实验化身。他们认为的进化涉及一个以复杂方式进化的电路。该电路将多个量子门随机应用于多个量子比特。这些门对量子比特执行操作，每个门代表时间上的一个步骤，就像时钟的滴答声一样。

这就是我们理论上的“芯片世界”中的时间向前旅行操作。

爱丽丝在当前时间准备她的一个量子比特，并反向运行电路，模拟回到过去的旅行。在过去，Bob测量量子比特的偏振，这是存储在爱丽丝的量子比特中的局部信息。因为量子世界中的测量改变了被测量粒子的状态，所以这种测量改变了极化，这就是本例中的信息。此外，根据量子动力学定律，这种侵入性的测量破坏了量子比特与芯片上世界其他部分的所有量子关联。所以，我们认为这个过去的世界被改变了，回到以前的现在-这个改变后的量子比特的未来-将改变整个芯片上的世界。

接下来，我们及时向前运行电路，把世界带回现在。根据雷·布拉德伯里(Ray Bradbury)的设想，鲍勃对量子比特状态的微小破坏应该在复杂的时间向前演化过程中迅速放大。这将意味着爱丽丝最终无法恢复她的信息。这只被压扁的蝴蝶应该已经彻底改变了她现在的信息。

为了对这些结果进行下一次测试，我们在IBM-Q量子处理器上进行了类似的模拟实验。为了模拟时间旅行，我们以相反的顺序发送量子比特通过计算机门。这些门可以操纵量子比特，也可以表示时间步长。然后，我们破坏了这个模拟过去的信息，只测量了一个局域量子比特，而所有其他量子比特都保持了它们的量子关联，并保持了纠缠。

在破坏性测量之后，我们运行了我们的时间前向协议，然后测量了量子比特的状态：它基本上恢复到了向后进化之前的状态，加上一些小的背景噪音。由于整个系统的初始状态强烈纠缠在量子关联中，漫长的复杂进化基本上恢复了扰动的量子比特的信息。

令我们惊讶的是，我们不仅反驳了量子系统中的蝴蝶效应，而且还发现了一种非蝴蝶效应，似乎系统想要保护现在。

在量子意义上的强纠缠意味着系统最初在其各部分之间具有强大的量子关联。纠缠的量子比特共享各种属性，例如偏振，并且在某些方面起到了一体的作用。即使在改变了局域信息之后，所有纠缠量子比特之间的纯量子和全局关联也为量子动力学设置了警戒线，引导它们恢复受损的局域变量。进化的时间越长、越复杂，它产生的量子关联就越多，所以我们的预测变得越好，现在的情况也就越稳健。

我们的理论适用于足够复杂的量子演化，其中不同量子比特之间的量子关联在时间倒退的演化过程中有时间出现。这种方法具有实际应用，例如测试量子计算机的质量。在不确定量子计算机是否真的使用量子力学来获得结果的地方-它可能仍然依赖于经典物理-我们的无蝴蝶效应可以用来测试它，因为我们的效应是纯粹的量子力学。另一个潜在的应用是保护信息，因为量子电路上的随机进化可以保护量子比特免受攻击。

下一步，我们希望在实验室(而不是量子计算机)的实际物理量子系统中实验验证这一效应，可能是使用表现为量子力学行为的超冷原子。这将使我们能够展示在可以应用于保护量子信息的实际问题的条件下的效果。

除了这些实际用途之外，无蝴蝶效应还提出了一些有趣的问题，即量子领域与我们日常经验中的经典物理世界之间的差异。大多数物理学家认为，量子力学适用于我们可以观察到的任何地方的尺度，但它通常会产生与经典物理学相同的预测。物理学家们仍然在努力研究经典世界是如何从我们日常生活中的量子世界中出现的。无蝴蝶效应可能在多大程度上适用于我们生活的宏观世界是一个悬而未决的问题，经典蝴蝶效应可能在多大程度上适用于量子世界也是一个悬而未决的问题。我们希望在未来的研究中能够回答这些问题。时间会证明一切。

这里描述的研究得到了美国能源部科学办公室基础能源科学材料科学和工程部凝聚态理论计划的支持。