原標(biāo)題:能復(fù)活超級英雄的除了時間寶石,還有量子計算機?
四月最值得期待的新片,絕對非《復(fù)仇者聯(lián)盟4》莫屬了。
打個響指就消滅了全宇宙一半人的滅霸,上一部虐的善男信女們死去活來。在最新的海報中,32位復(fù)聯(lián)英雄只能以“黑“和“白”陰陽兩隔的形式出現(xiàn),生死相望。
想想都森氣,滅霸必須死,不接受別的結(jié)局,否則編劇就等著收刀片吧!
但在此之外,被滅霸搞消失的超級英雄和人類還能回來嗎?最有可能性的方案就是通過某種超能力或者道具逆轉(zhuǎn)時間線。
最近國外媒體的一則爆炸性新聞發(fā)現(xiàn),除了并不真實存在的時間寶石,量子計算機也能逆轉(zhuǎn)時間,雖然只是幾分之一秒,但也足夠令人興奮了。
到底是“標(biāo)題黨”還是確有其事?人類真的能逆轉(zhuǎn)時間之輪么?我們先來聊聊這篇論文到底說了些什么?
逆轉(zhuǎn)時間:量子計算機的新能力?
如果你發(fā)現(xiàn)一盤被打散的臺球在沒有任何外部干預(yù)情況下自動回到了三角框里,一定會覺得是有人用倒放欺騙了你的眼睛。
畢竟連幾千年前的古人都知道“逝者如斯夫,不舍晝夜”。后來的物理學(xué)也證明,宇宙的終極規(guī)則是“熵”,如果不施加外力,所有的事物都會從有序走向無序??傊?,時間倒流是違反熱力學(xué)第二定律的。
因此,最近莫斯科物理與技術(shù)研究所、美國阿貢實驗室和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在《科學(xué)報告》(Scientific Reports)上發(fā)表的一篇論文,聲稱可以利用IBM的量子計算機逆轉(zhuǎn)“時間之箭”,就迅速吸引了國外媒體爭相報道,其中不乏一些老牌的科學(xué)媒體,比如《發(fā)現(xiàn)》(Discover)。
在經(jīng)典物理學(xué)中,粒子散射就如同前面提到的打臺球一樣,被球桿擊打的臺球會以直線行進(jìn),要將其恢復(fù)到本來的狀態(tài),就如同把破碎的茶杯重新組合在一起,顯然是不可能的。
但在量子世界中,分散的例子會像多個方向擴(kuò)散,它的行進(jìn)方向,是一個如同把石頭扔進(jìn)池塘?xí)r產(chǎn)生的環(huán)狀波紋。因此,要將粒子恢復(fù)到原始狀態(tài),就需要一個“超級系統(tǒng)”,來提供外力發(fā)現(xiàn)并正確操縱量子波。
(實驗的四個階段)
為了更清晰地了解整個研究,我們來復(fù)盤一下實驗的四個不同階段:
階段1:秩序。研究者勾勒出了一個小區(qū)域,讓每個量子位元如同三角框中的臺球一樣,以高度有序的狀態(tài)待在固定區(qū)域內(nèi);
階段2:演進(jìn)。啟動量子計算機的進(jìn)化程序,量子位元如同被球桿推動的臺球,開始向更大的區(qū)域擴(kuò)散,變得混亂而復(fù)雜。
階段3:時間逆轉(zhuǎn)。這時,通過一個設(shè)計精確的特殊程序,量子計算機就可以誘導(dǎo)時間“向后”逆轉(zhuǎn),從混沌走向有序。就像出現(xiàn)一位大神,給臺球桌施加了完美計算的一記踢腳。
階段4:重生。如果“踢”成功了,階段2的反向操作就開始啟動,量子位元會沿著行進(jìn)軌跡折返回去,最終復(fù)位成初始狀態(tài)的“三角形”。
研究人員在雙量子位量子計算機中,得到了85%的相同成果。考慮到量子力學(xué)是由概率而不是確定性決定的,或許得出這個結(jié)論并不困難:在科學(xué)上實現(xiàn)時空旅行的幾率是相當(dāng)高的。這直接顛覆了人們的既有認(rèn)知。
但事實果真如此嗎?
別急著歡呼:時間逆轉(zhuǎn)是不可能的,這輩子都不可能的
在一個分離成遙遠(yuǎn)部分的量子系統(tǒng)中,局部違反熱力學(xué)第二定律被證明是可能的,難怪領(lǐng)導(dǎo)這項研究的資深科學(xué)家瓦萊里·維諾庫(ValeriiVinokur)認(rèn)為:“我們做了以前認(rèn)為不可能的事情?!?/p>
在被記者問到,這項研究能不能“讓老年人重新年輕”時,維諾庫也玩笑式地肯定,“也許(可以)”,只要“有了適當(dāng)?shù)馁Y金”。
別說了我會相信的!恐怕很多人都難以抵御這樣的神話,如果時間能夠倒流,多少遺憾都不會發(fā)生,多少傳奇人生會被改寫?最起碼年輕幾歲多享受下人生也很值得期待不是嘛?
But,原本很有趣的實驗被包裝成“逆轉(zhuǎn)時間之箭”的成果發(fā)表出來的時候,很容易就從科學(xué)新發(fā)現(xiàn)推到謠言的邊緣。
之所以這么說,是因為研究者們隱藏了很多關(guān)鍵信息,只把最吸引眼球的部分曝露給大眾。
關(guān)鍵信息1:實驗的局限性。
不難發(fā)現(xiàn),實驗是在一個非常小的局部區(qū)域內(nèi)進(jìn)行觀察和演算的。這意味著,想要將實驗結(jié)果推導(dǎo)到真實的宇宙中,研究者需要精準(zhǔn)地知道粒子在太空中的位置。
但現(xiàn)實情況是,宇宙始終受到“熵”的影響,不斷向著混亂的方向發(fā)展。含有電子的空間區(qū)域會很快擴(kuò)散,“薛定諤的貓”會從盒子里跑掉,人們根本不可能知道電子的精確位置,逆轉(zhuǎn)時間也就無從談起。
(經(jīng)過130多億年的膨脹,宇宙變得越來越無序)
關(guān)鍵信息2:觀察的可能性。
之所以研究者必須要將實驗局限在特定范圍內(nèi),是因為要在自然界中定位粒子實在是太困難了。
其實,在非實驗條件下,粒子也會和環(huán)境相互作用,類似逆轉(zhuǎn)的情況也偶有發(fā)生,如同臺球碰到桌沿反彈回原位一樣。但為什么我們從來沒有發(fā)現(xiàn)過“時間逆轉(zhuǎn)”的現(xiàn)象呢?
因為在宇宙中觀察電子復(fù)位這種偶發(fā)事件,基本不可能。一個人需要花費和宇宙生命一樣漫長的時間(137億年)來定位電子的位置,然后憂傷地發(fā)現(xiàn)粒子的反向演變可能只會發(fā)生一次,并且只是回到不足一百億分之一秒的過去。
放到更大規(guī)模和更長時間尺度的事物上,比如臺球運動、火山噴發(fā)什么的,往往有著驚人數(shù)量的電子和其他粒子。去思考逆轉(zhuǎn)它們,就像給猴子一臺打印機教它寫出一本莎士比亞詩歌,理論上講只要時間足夠長,總是有可能實現(xiàn)的,盡管這么做毫無意義。
(臺球中一次擊球的長時間曝光攝影)
關(guān)鍵信息3:結(jié)果的可用性。
當(dāng)然了,夢想是要有的。但即使是在非常理想的情況下,花費漫長的時間在宇宙中定位到了想要讓時間倒流的事物,目前的量子計算機算法還不足以支撐如此龐大的行為藝術(shù)。
該實驗采用的算法模型,當(dāng)量子位元增加到第三個的時候,就只剩50%的成功率了。研究人員解釋說,隨著更復(fù)雜的設(shè)備涉及,算法的錯誤率會下降,并且會不斷消除噪音來更新算法。
那么問題來了,同樣的模擬過程在現(xiàn)有的電腦上也能夠?qū)崿F(xiàn),只需要把時間向相反的方向模擬就可以了?,F(xiàn)在只是把設(shè)備換成IBM的量子計算機,等于告訴大家普通的人類小男孩套上鋼鐵俠的裝備就能打敗滅霸……我信你個鬼,你個論文壞得很!
果然很快就有國外的量子科學(xué)家直接打臉,公開批評該研究“不是時間機器,也沒有違反任何物理定律?!?/p>
“標(biāo)題黨”的背后
盡管“逆轉(zhuǎn)時間”的大肆炒作,距離謠言也不遠(yuǎn)了,但這項實驗也并非一無是處。
至少,它讓量子計算以一種奇趣的方式走進(jìn)了大眾視野,展現(xiàn)出了技術(shù)背后的無盡可能性。并且,通過時間實驗來有效地返回并清除錯誤,能夠大大降低量子計算機的故障率,提高它的工作效率,為后續(xù)的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用鋪平道路。
同時,它也展現(xiàn)出今天量子計算發(fā)展進(jìn)程中的某些尷尬。
如今幾乎所有有實力的國家,包括美國、中國、日本等,以國防、軍工為代表的頂級科研力量都開始在量子計算領(lǐng)域發(fā)力。IBM、谷歌、百度、阿里巴巴等國際頂尖的科技企業(yè)也都在加大量子計算機的研發(fā)和商用力度。
在這樣“自上而下”的技術(shù)風(fēng)潮中,量子計算被曲解成了一種神秘的未來武器。
大眾很容易認(rèn)為并且相信,量子計算機能夠完成經(jīng)典計算機所不能完成的任務(wù),這也是為什么,“時間逆轉(zhuǎn)”這樣的“標(biāo)題黨”居然能夠忽悠到一些老牌科技媒體的背書。
為了避免輿論的過度“捧殺”而太快進(jìn)入“技術(shù)幻滅期”的冷宮,我們不妨通過這起“裝逼失敗”的案例,來說說量子計算應(yīng)用的真實限制:
首先,現(xiàn)有的硬件距離實用水平還有很長一段路要走。
量子計算機想要取代經(jīng)典計算機,首先要達(dá)到50量子比特的水平。目前的最新進(jìn)展是,IBM已經(jīng)開發(fā)出了50量子比特的量子計算原型機,Google也推出了72量子比特的計算芯片。
但這并不意味著量子計算機可以立馬完成很多經(jīng)典計算機做不到的工作。因為量子比特數(shù)量的增加并不是硬件能力的唯一要素,還必須增加相干性才行。
簡單來說就是,量子比特是以串列的形式進(jìn)行運動的,只要計算機對一個量子比特進(jìn)行處理,影響就會立即傳送到其他的量子比特上。量子相關(guān)性越大,量子計算機的運算效率才會越高。但如何提升相干性,目前依然面臨不小的挑戰(zhàn)。
另外,工程上編寫量子算法的經(jīng)驗和思維尚不完備。
從“時間逆轉(zhuǎn)”實驗中不難看出,研究人員最終是將傳統(tǒng)計算機的邏輯和方式,架設(shè)在量子計算機的硬件能力之上,用來解決傳統(tǒng)計算機解決過的問題。換句話說,量子計算機在其中發(fā)揮的作用,只是提供更大規(guī)模的算力和“噱頭”罷了。
這是因為,算法的不同,決定了量子計算機和傳統(tǒng)計算機的編程方式也大不一樣。
舉個例子,我們?yōu)橐活w晶體拍了一些X射線照片,并試圖通過這些照片恢復(fù)出晶體的結(jié)構(gòu)。
如果是傳統(tǒng)的計算機算法,那就是對著這個晶體的整體圖案進(jìn)行因式分解。當(dāng)然中間需要經(jīng)過復(fù)雜的樣本計算,但歸根結(jié)底,它的邏輯還是符合人類的認(rèn)知常識。
但量子算法卻非常反直覺。它不需要看到整張照片,針對幾個包含關(guān)鍵信息的樣本點進(jìn)行并行運算并將結(jié)果組合起來,就能還原出整個晶體的形狀。
要搞量子計算,意味著現(xiàn)有開發(fā)人員所掌握的傳統(tǒng)計算機技能幾乎是完全用不上的。編寫不出合理的量子計算機算法,可不就只能“殺雞用牛刀”了嘛。
(受X射線晶體學(xué)啟發(fā)產(chǎn)生了多項式運行時間的量子算法)
從目前的大環(huán)境看來,量子計算機更擅長的,是發(fā)揮指數(shù)加速運算的優(yōu)勢,解決經(jīng)典計算機無法處理的數(shù)學(xué)問題。
比如對飛機路線或鐵路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化升級,可能產(chǎn)生2的n次方種可能性,研究人員需要嘗試每一種可能性找到最佳解決方案。經(jīng)典計算機可能需要漫長的時間才能完成,而一臺100量子比特的量子計算機能夠通過一次操作就搞定它。
這種強大的能力如果廣泛運用到材料科學(xué)或藥品研發(fā)等領(lǐng)域,即便不能逆轉(zhuǎn)時間,也足以讓時間帶來的損耗最小化,讓人類的遺憾來的更晚、更少一點。
相反地,那些總想搞事情的大新聞,要么脫離實際效率不高,要么老瓶裝新酒的過度包裝,反而可能加深大眾對量子計算不切實際地想象。
或許在遙遠(yuǎn)的某一天,人類真的可以開啟時光機器。至少現(xiàn)在,想要靠逆轉(zhuǎn)時間拯救全宇宙,恐怕還是得依靠漫威英雄的“超能力”了!
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