量子跳跃的信号（逆转时间之箭的量子实验）
量子跳跃的信号（逆转时间之箭的量子实验）从某种意义上，实验的结果表明了“时间的箭头”不是一个绝对概念，而是相对的，因为它强烈地依赖于初始条件的选择。之前有人对这种效应做出过预测，但在物理系统中出现逆转还是第一次实现。我们可以说，至少在这个孤立系统中，这一操作有效地逆转了时间的箭头。因为时间的热力学箭头依赖于一个封闭系统的熵只能增加或保持不变，但绝不减少的概念。因此说实验室中创建的这个熵减少的孤立系统，使时间的箭头指向了相反的方向。而在量子世界中，熵会受到相关性的影响。一个双量子比特系统可以处于四种可能状态（00，01，10，11）中的其中一种，并且它的熵由处于这些状态中的每一个中的概率来定义。通过比较单个量子比特系统的熵和相关系统的熵，研究人员就可以测量出相关量。实验始于两个强相关的粒子，随着实验的进行，这些粒子开始逐渐相互分离，导致相关性减弱——这意味着单个熵的总量降低了。如果总熵在一个规则的、不相关的系统中突然下降，那将违反
1895年，英国著名小说家赫伯特·乔治·威尔斯（Herbert George Wells）在他的著作《时间机器》中，将“时间”与“旅行”这两个词结合了起来。从那之后，便开启了了人们想要通过一台机器穿梭到过去或未来的幻想。除了公众的幻想，事实上科学家也一直在认真思考“时间旅行”的可能性。
从19世纪开始，建立时间旅行的规则开始成为科学的一部分。爱因斯坦也曾参与到这场辩论中，并向我们展示了如何才可以做到这一点[1]。霍金教授也曾与女儿共同撰写了一本关于时间旅行的儿童读物。还有2017年诺贝尔物理学奖得主基普·索恩也在《黑洞与时间弯曲》一书中叙述了穿越虫洞的冒险之旅。还有许多其他宇宙学家和物理学家也纷纷效仿，想象出许多令人惊叹的情节。但更重要的是科学家总是不断地试图构想出新的实验以检验时间旅行的可能性。
○ （A）当两个系统不相关时，热量从较热的核自旋流向较冷的核自旋，与之对应的是时间的标准热力学箭头。对于初始自旋具有量子相关性的系统来说，热量会自发地从较冷的自旋转移到较热的自旋，时间的箭头在这里发生逆转。（B）实验中使用的磁力计。（C）导致部分热化过程的实验脉冲序列。| 图片来源：K. Micadei et. al
传统上，熵衡量的是一个系统可能存在的不同配置的数量。在一个经典系统中，系统的熵等于每个部分熵的总和。
而在量子世界中，熵会受到相关性的影响。一个双量子比特系统可以处于四种可能状态（00，01，10，11）中的其中一种，并且它的熵由处于这些状态中的每一个中的概率来定义。通过比较单个量子比特系统的熵和相关系统的熵，研究人员就可以测量出相关量。
实验始于两个强相关的粒子，随着实验的进行，这些粒子开始逐渐相互分离，导致相关性减弱——这意味着单个熵的总量降低了。
如果总熵在一个规则的、不相关的系统中突然下降，那将违反热力学第二定律。但在这里，研究人员将相关性考虑在内。相关性的弱化就类似于燃料将热量从较冷的物体驱动到较热的物体。冷的量子比特系统越来越冷，热的量子比特系统越来越热。换句话说，就是热量从冷流向热。这样的情况出现是由相关性和熵之间的平衡导致的。
我们可以说，至少在这个孤立系统中，这一操作有效地逆转了时间的箭头。因为时间的热力学箭头依赖于一个封闭系统的熵只能增加或保持不变，但绝不减少的概念。因此说实验室中创建的这个熵减少的孤立系统，使时间的箭头指向了相反的方向。
从某种意义上，实验的结果表明了“时间的箭头”不是一个绝对概念，而是相对的，因为它强烈地依赖于初始条件的选择。之前有人对这种效应做出过预测，但在物理系统中出现逆转还是第一次实现。
○ 如何逆转时间的热力学箭头：根据热力学第二定律，热量总是从高温物体流向低温物体，因为这会增加系统的熵（或无序）。而最近的一个实验表明，量子相关性似乎可以违反这一原理。| 图片来源：Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine
虽然目前的实验无法让我们更接近建造一个时间机器，但它对现实世界可能有着重要的影响。例如有的物理学家想用类似的效应来创造效率非常高的量子热泵。宏观尺度下的量子热机提供的机会将可能比微观版本要大得多。
除此之外，这项研究也会影响对宇宙起源的思考。在宇宙学中，一个长久以来困扰我们的难题就是为什么宇宙始于一个如此低熵的状态，使得熵能在整个宇宙历史中持续增加。通过熵与量子纠缠的联系，或许能对宇宙时间箭头的理解带来更具有启发性的洞见。
编译：魔理郎
参考资料：
[1] https://www.newyorker.com/tech/elements/albert-einsteins-sci-fi-stories
[2] https://arxiv.org/pdf/1711.03323.pdf
[3] https://www.npr.org/sections/13.7/2018/04/03/599122774/time-travel-with-your-fridge
[4] https://www.quantamagazine.org/quantum-correlations-reverse-thermodynamic-arrow-of-time-20180402/
