【翻译】未来与过去决定现在——量子预测

这是一篇新闻稿而非论文，原文地址：

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未来与过去决定现在——量子预测^[1]

摘要

　　这是一个被检测系统的随时间演化。(a)部分表示一个包含了耦合到波导腔的等离子谐振量子位传输器 ^[2]；(b)部分表示我们制备的初态量子位（满足Tr(ρiσx) = +1），量子位ρ在制备后传播，并获取一个关于末态的投影测量（在σz基上）的精确预测，记为M。结果图中的虚线表示基于单量子迹的预测结果，而实线为对具有相同ρ(t)的实验中的投影测量所作的预测。论文： arxiv.org/abs/1409.0510

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论文摘要

在一三维波导腔中的超导谐振传输器(Transmon)中量子位的量子态被该波导腔内的微波场反射并探测。测量记录中所蕴含的信息可由密度矩阵ρ(t)和辅助矩阵E(t)来表示，其中ρ(t)表示了到t时刻之前探测器所探测到的数据而E(t)则表示探测器在t时刻之后所获得的数据。我们使用所有这些从实验数据获得的矩阵来推测与回测^[3]强与弱量子位测量的结果。

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序

我们已经如此习惯于对神秘的谋杀，以至于我们根本无法意识到作者都用时间玩了哪些神秘的技巧。一种典型的此类谋杀发生在我们阅读小说的时候。在看小说的时候，作者总是对我们进行信息封锁，以至于我们在看完全书之前几乎都不知道到底发生了些什么，直到看到最后这才恍然大悟。^[4]
　　如果小说的最后一页被人撕去，那么会发生什么？物理学家Kate Murch博士就提出了这样的问题：如果小说的最后一页被撕去，那么读者是否有可能通过阅读之前的内容来推测出究竟发生了什么么？^[5]
　　在现实世界的谋杀案中这个问题很显然的答案，当我们考虑量子世界的时候就变得不再可靠了——在量子世界，不确定性、非决定性是世界的根本，自然根本不管我们作为读者的阅读乐趣。
　　甚至于，圣路易斯安娜州华盛顿大学物理系的助理教授Murch认为就算我们已经知道了量子力学可以告诉我们的关于量子粒子的一切，你依然无法精确预测一个哪怕最简单的实验的结果，量子理论允许所有可能的结果。
　　主流的观点认为，这种非确定性并不是理论的瑕疵，而是自然的真相。粒子的状态并不是不可知，而是在测量之前尚未确定，测量的行为致使粒子塌缩到一个确定的状态^[6]。
　　在今年二月十三日的物理评论快报(Physical Review Letters)**中，Kater Murch博士描绘了一种降低这种不确定性的方法。通过结合量子系统在目标时间之后的演化和目标时间之前的信息，他的实验可以将对目标时刻结果的预测结果的准确率从50%提高到90%。
　　这就好比我们今天做的事情，可以反过来影响我们昨天的行为。而就如这个比喻所暗示的，实验结果对时间和因果律，至少在量子力学为主导的微观领域内是可以被修正的。

测量光子

直到近来，物理学家们依然只能通过实验来测量一个量子粒子的性质与状态，而任何这种类型的测量都将直接导致它们神秘的量子特性的丧失。
　　但1980年代与90年代物理学家们发明了一种设备允许我们测量这些脆弱的量子系统且不会导致系统塌缩到某个确定的状态，从而保留那种奇妙的量子特性^[7]。
　　现在，Murch所用的探测量子空间的设备，是一种简易的超导回路，并可以在接近绝对零度的时候处于量子叠加态。Murch的团队利用这种设备的最低两个能级（基态与第一激发态）来作为实验的目标。在这两个能级之间存在无数的量子叠加态。
　　通过将实验回路置于一个微波谐振腔内来探测其量子态。少量的微波光子被送入这个谐振腔，并与超导回路发生相互作用，从而当光子离开谐振腔后，它们就会携带上超导回路的量子信息。
　　关键的是，这种“弱”的、光子不与检测量子态耦合的测量并不会对超导回路的量子位造成干扰导致其塌缩，这是和“强”的、光子与两态能隙共振的测量方式最大的不同，因为这种测量会导致量子态的塌缩，要么进入基态，要么进入第一激发态。

量子猜谜游戏

在PRL的论文中，Murch描绘了一种利用量子位来进行的量子猜谜游戏。
　　“在每轮量子猜谜游戏开始的时候，我们都会将超导回路置于双态的叠加态，”Murch说，“随后我们对系统进行强测量并记录下测量结果，但并不将结果公开，随后对这个系统进行弱测量。”
　　随后，他们试图对那被藏起来的结果进行推测，这就是那“被撕去的一页”。
　　“利用Born公式来对结果到底是在哪个态做计算，我们发现这样的猜测的成功率只有50%，”Murch如是说，“但你也可以利用弱测量的结果中所谓的影响矩阵来逆向计算这个结果。所要作的只是将所有的方程、矩阵、轨迹都做时间反演，再和正向的做一个综合计算。
　　“从而，我们现在就有一条逆向的轨迹和一条正向的轨迹，如果我们对这两部分的结果做综合，采取同样的权重来求和，那么我们就可以获得一个我们称为事后预测^[8]或者说回测的结果。”^[9]
　　而关于回测，我们有一个非常惊人的结果，那就是回测的结果具有90%的正确性。当我们试图用这种方式来推测那被隐藏的结果时，十次中有九次是正确的。

深入兔子洞

量子猜测游戏使得我们可以获取对量子计算和开放系统的量子控制比如化学反应更好的控制力。同样的，这一结果对物理上更基本的问题产生深远影响。
　　比如，这一现象认为在量子世界里时间可能既从过去流向未来也能从未来流回过去，而在经典世界里人们认为时间只能从过去流向未来。
　　“我总是认为测量会解除量子理论中时间流动的对称性，”Murch说，“如果我们测量一个处于混合态的粒子的状态，那么它会塌缩到混合态中的一个本征态上，这看上去就好比是一个时间中正向的传播过程。”
　　而在量子猜测实验中，时间的对称性回归了。被提升的猜中概率暗示了被弱测量的量子态以某种方式从未来影响了现在被隐藏起来的结果，就如过去的（强）测量影响到现在的结果一样。这就表示，在经典世界中如铁律一般的单箭头的时间，在量子世界中是双箭头的。
　　“目前并不清楚为何在真实世界这个由大量粒子构成的世界^[10]里为何时间是单向的而熵总是增加，”Murch说道，“但正有很多人为了这个问题而奋斗，我有信心这个问题可以在未来几年里被解决。”
　　然而，在时间对称的世界里是否还存在因果律呢？为了解决这个问题，Murch打算设计一个存在反馈圈（将原因与结果联系起来构成反馈回路）的量子实验，并尝试正向与反向实验。
　　“我们将用20到30分钟来进行其中一项测试实验，”Murch说，“并用几个星期来分析试验结果数据，再用一年的时间来反复检验我们的脑子到底有没有发疯。”
　　“而到了最终的那天，”他继续说，“我将很高兴看到我们终于有了真实的实验数据来回这那条真实的曲线了。”

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小评（这段不是翻译的）

翻译完了这篇文章，那就顺手写个评论吧。

论文原文还没看，就看了这篇新闻稿。
　　就新闻中的描述来说，整个实验大致就是这样的：
　　先用会干扰量子系统的强观测来确定一个量子系统的状态，但不公开，随后在一段时间后对这个系统进行不干扰系统量子态的弱观测，然后利用强观测前的初态数据和弱观测的未来数据来共同推测强观测后的观测结果。
　　这个过程在原有的理论体系中，应该只有50%的正确率——这就好比你抛硬币，就算你知道了一开始硬币是正面向上，未来第二次测量的时候也是正面向上，你依然只有50%的概率来知道第一次测量的时候是正面向上还是反面向上。
　　但这个实验有意思的地方在于，未来的弱测量结果（第二次正面向上）反过来影响到了之前的强测量的结果（第一次到底是正面向上还是反面向上）。
　　如果这里所有的一切都没有什么猫腻——比如那个超光速实验中的意大利人的错误——那么这就是说，未来的测量会影响到过去。
　　这是非常有趣的一个现象，告诉我们时间至少在微观领域并不是单向的。

当然，对于这个实验，也许我们可以提供别的单时间箭头版的理论解释——毕竟实验总不能唯一确定理论。
　　对于由此产生的争论我们暂且不提。

值得让人注意的，是让我们换一个角度来看这个问题。
　　对于非相对论性的量子力学，我们可以通过路径积分的手段，从作用量的泛函积分来推导出薛定谔方程。
　　同样的行为如果你要用到相对论性量子力学（还不是量子场论）上的话，其实我们就必须做出一个“大胆”的假设——所有那些参与泛函积分运算的路径中，必须包含来自未来的“回朔”部分的路径。
　　这其实也就是说，当我们采用路径积分的观点（于是也就不是哥本哈根的观点）来看最基本的量子过程的时候，本来就包含了未来回朔到过去的成分。

另一方面，未来影响过去就算是主流科学家里也不算是太新颖的观点。
　　很多大牛的导师，比如《星际迷航》的科学顾问基普·索恩的老师、费曼的老师、广义相对论圣经教材的作者约翰·惠勒，曾经就提出过“几何动力学”，其中的一个基本结论就是未来的粒子可以影响到过去。

而，最后要说的是，如果在宏观领域日常生活中也有这种双向流动的时间的话，也许科幻小说《艾达》中的那种奇妙的效应就能出现了——叙述影响了存在。
　　这不得不说是一件非常有趣的事。

还有一种狂想，我们或许就能就此从量子世界中提炼出一种“时间力场”，那么我的小说《时间渡人》以及艾西莫夫的小说《永恒的终结》中的场景，就有可能发生了吧～～～～

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1. 按照英文原文直译的话，应该是“事后与事前一起比仅靠事前能更好地预测量子态”，太繁琐了，所以索性改得标题党一点…… ↩

2. Transmon，这是一个合成词，在量子计算中用于以极低的电噪音来传输荷电量子位的超导体。详情请戳这里。 ↩

3. 原文为Retrodict，是一个合成词，这里给翻译为“回测”，相对于predict预测。意思是利用之后获得的数据来反推现在的数据。 ↩

4. 这方面倒是可以看我之前写的文章《名侦探的守则》。 ↩

5. 这不由得让人想起了《艾达》和《密室物语》这两本小说。。。 ↩

6. 这是传统的哥本哈根诠释的说法。 ↩

7. 这就是现在所谓的“弱测量”。 ↩

8. 原文为hindsight predict，这里翻为“事后预测”。 ↩

9. 这里在新闻稿中没有明说的一个情况，那就是如果仅仅是利用回测，在数学上说我们依然只能得到50%的正确率，事实上即便是同时结合预测和回测，我们也只能获得50%的正确率哦，这是数学上的前提。随后我们才能在下一章获得“未来的弱测量回朔性地影响了过去的测量结果”这样的结论。 ↩

10. 这里所说的真实世界，real word，实际上所指的是日常生活的宏观低能世界。 ↩