粒子尺度上「回到過去」正走向現實，量子世界中時間旅行早已無處不在？

時間旅行是科幻小說的永恆主題之一，也是人類迄今尚未實現的一個夢想。在量子科學研究中，科學家正嘗試在最微小的尺度上實現時間循環，通過量子糾纏將粒子或粒子所攜帶的信息傳遞到過去。

經過30多年努力，科學家已有所突破。雖然人類穿越到過去幾乎沒有可能，但哪怕是現有探索，也將促進量子計算、量子測量等領域的技術發展，甚至還將推動量子領域的理論研究。

——編者

當美國麻省理工學院物理學家賽斯·勞埃德首次提出量子時間循環理論時，他沒有料到自己會收到無數自稱是「時間旅行者」的人發來的「求助」郵件。他開玩笑說，如果時間可以倒流，他可能就不會這麼做了。

遺憾的是，勞埃德無法回到過去。雖然沒有人會回到過去，但粒子也許可以。

理論上，物理學家們早已假設過通往過去的時間循環。但由於這一設想存在諸多不切實際的難題和悖論，它一直被認為是不可能的。現在，勞埃德和他的同行們已經開始證明，在量子領域，這些通往過去的時間循環不僅在理論層面是可能的，甚至在實驗層面也是可行的。換句話說，我們很快可以嘗試把粒子送回到過去。

如果實驗成功，即使不能讓人回到過去，我們也有可能將消息，至少是量子信號送回過去。更重要的是，研究這一現象將帶我們深入了解因果關係的本質、量子理論的含義，以及我們怎樣才可能發展出一個更全面的、抓住現實本質的新理論。

利用量子糾纏

操控時間循環

理論上，創造大尺度通往過去的路，需要黑洞這樣的龐然大物讓時空彎曲到自我閉合，這顯然難以在實驗室實現。或許，在實驗室中可通過量子糾纏，在粒子尺度上把信息發送回過去

在物理學中，時間循環更恰當的名稱是「封閉類時曲線」（CTC），最早出現在愛因斯坦的廣義相對論中，該理論認為時空可以彎曲。

理論上，如果能讓時空足夠彎曲，它就會自我閉合，從而形成通往過去的路。唯一的問題是，要產生如此大幅度的時空彎曲，需要質量極大的物體以非常快的速度旋轉。現實中，可能只有黑洞能滿足條件——而這顯然不是我們在實驗室里能造出來的。

不過，這類情況適用於相對較大的時間循環，即理論上讓人類穿越到過去的那種。那麼，如果是在最微小的尺度上操作時間循環呢？在量子力學領域，已有突破性的實驗表明，我們可以在這個領域中構建數學上等效的時間循環，這就是量子封閉類時曲線（簡稱量子CTC）。

長期以來，物理學家對「量子領域中的時間循環」這個想法嗤之以鼻，主要是因為這與人們所認為的時間在這一框架中的運行方式不符。

人們認為，與廣義相對論相比，時間在量子力學中的運行方式大相逕庭。事實上，物理學家試圖將相對論和量子力學融合起來，找到一種能在各種尺度上描述現實的理論，而這種不一致正是他們面臨的一個最大障礙。

在相對論中，時間和空間交織在時空結構中，因此時間可在引力的影響下收縮和拉伸。而在量子力學中，時間通常被視為在背景中不斷滴答作響的鐘表——因果關係始終是因在前、果在後。

這聽起來似乎完全排除了量子時間循環的可能性。但是，一種日益流行的量子力學觀點以不同的方式看待時間，這種方式被稱為「逆因果性」。它的出現源於對量子力學中「糾纏」這一奇特特性的思考分歧。

當兩個粒子發生糾纏時，即使相距數十光年，它們也會表現出同一個量子態。例如，測量其中一個粒子的狀態，就能立刻知道另一個粒子的狀態。如果這些糾纏的粒子相互通信，那麼這種交換必須發生在超光速下，而相對論對此是禁止的。愛因斯坦對糾纏持懷疑態度，他認為結果必須是預先確定的，但這一點在實驗中一再被排除。

人們通常認為，量子糾纏挑戰了我們的位置概念——即物體之間的空間很重要。換句話說，糾纏證明了量子力學是「非局域」的：它不在乎距離。

與此相反，「逆因果性」將糾纏視為一種跨越時間的連接。在這種解釋中，當你測量一個糾纏的粒子時，一個信號被發送回它糾纏的時間，並隨著另一個粒子一起前進，從而消除了在廣闊距離上傳遞瞬時信息的需要。局域性得以保留，但標準的因果性被捨棄了。

儘管我們不知道哪種解釋是正確的，但長期以來，主流觀點一直認為量子力學是非局域的，而逆因果性則主要停留在哲學層面。

1991年，英國牛津大學理論物理學家戴維·多伊奇利用逆因果性提出了量子CTC的概念。多伊奇試圖利用量子物理學的某些理論來繞過任何涉及因果關係的悖論，例如「祖父悖論」。該悖論假設一名時空旅行者回到過去殺死了自己的祖父，從而也否定了自身的存在。

多伊奇的理論受到量子力學多世界解釋的啟發：他認為，一個穿越時空的粒子如果回到過去並毀滅了自己，那麼它只是進入了多元宇宙的另一個分支。但其他人認為這並不能解決悖論。

根據未來「願望清單」

改變過去

在一個思想實驗中，科學家將來自未來的「願望清單」消息傳送回過去，從而調整粒子的初始狀態。不過，該實驗實際僅有1/4的成功率，科學家丟棄了所有不想要的結果，這讓它看上去像是作弊

2010年，勞埃德和同事們發表了一個更新版的量子CTC，該版本無需調用多元宇宙來解決「祖父悖論」。它使用了量子計算中一種名為「後選擇」的技巧。「後選擇」的意思是先進行大量計算或測量，然後捨棄那些沒能輸出想要的結果的那部分。

量子世界中，總是存在不確定性因素——粒子存在於一團可能的狀態中，直到有人對其進行測量。因此，勞埃德團隊提出了一種方法，即利用後選擇和糾纏來回到過去，並改變過去那些從未被測量過的事情。勞埃德指出，必須強調的是，過去具有確定結果的事情是無法改變的。這對於那些希望嘗試時間旅行的人來說無疑是個壞消息。

事實證明，勞埃德版本的量子CTC可以發揮驚人作用。比如在計量學領域，利用量子力學系統，我們對諸如磁場、光，甚至引力波等的測量精度，可以遠超經典物理所能達到的水平。

但問題在於如何設計這樣的測量實驗。通常情況下，你並不掌握將要進行的實驗所需的信息，例如磁場的方向。沒有這些信息，就不知道該如何準備一個粒子，以便對其進行最佳測量。

美國馬里蘭大學的尼科爾·哈爾珀恩、英國劍橋大學的戴維·舒庫爾以及瑞士蘇黎世聯邦理工學院的艾丹·麥康奈爾就曾被這一問題所困擾，直到哈爾珀恩看到了勞埃德的量子CTC想法。

2023年，這三位研究人員發表了一個思想實驗，概述了如何有效利用粒子來創建勞埃德提出的「量子時間循環」。這個實驗涉及到一組粒子在一個特殊順序中的糾纏和測量。

為了便於理解，研究小組用比喻的方式來描述這個思想實驗：某人計劃給朋友寄一份禮物，知道需要三天才能送到。他在第一天寄出了禮物，但惱人的是，第二天他收到了朋友的願望清單。於是，他利用時間循環將信息傳送回過去，調整了已寄出的禮物，這樣朋友就能恰好得到他想要的禮物。

在實際的思想實驗中，禮物是粒子A，而「願望清單」則對應粒子C的一個量子力學特性，即自旋。一旦知道了這一點，實驗者就能使用粒子D來連結過去，以影響粒子A的屬性，使其與粒子C的特性保持一致。

出於技術原因，這個過程實際上只有1/4的成功幾率，其他結果則在後選擇過程中被丟棄了，這可能看起來像是在作弊。但研究人員認為，思想實驗涉及的測量方法決定了過去的某些事情：在量子力學中，這在數學上等同於將狀態傳送回過去，粒子A的過去狀態是由未來實驗中設定的條件決定的。

「我喜歡他們的研究。」美國加州查普曼大學的哲學家艾米麗·阿德拉姆說。但她表示，這並不是真正的逆因果性——如果是，那它應該每次都能成功。「真實情況是，他們丟棄了所有產生錯誤結果的實驗。」而且，她強調，這只是一個思想實驗，沒有任何東西真的被送回到過去。

一項真實實驗

將空談轉為行動

將測得的量子最佳狀態通過量子糾纏發送回過去，該實驗將物理學家的長期探索從空談轉為行動。如果用來解釋很多量子現象的逆因果性是正確的，這意味著時間旅行在量子領域已無處不在

思想實驗發表後，研究小組又與加拿大多倫多大學的物理學家艾弗萊姆·斯坦伯格一起，進一步設計了一個真實實驗。這將涉及通過量子CTC向過去發送真實的單個光子。

與此同時，舒庫爾和他的同事們也回歸「初心」，開始利用量子CTC開展更準確的測量工作，並取得了巨大進展。

在今年3月發表的一項實驗中，他們展示了如何利用量子CTC模擬來提高量子處理器的效率。這就像你和朋友一起去觀星，朋友們都看到了流星，你卻觀測錯了方位。但這項實驗能幫你帶著正確的觀星方位回到過去，彌補這一遺憾。且這一次，舒庫爾和同事們做到了不丟棄任何結果。

這是怎麼實現的？舒庫爾的研究小組設計了一個實驗，涉及兩個被設置為超導量子比特的原子和一個未知場，這個未知場可能是電場、磁場等。他們希望通過監測其中一個量子比特的自旋變化來估算未知場的強度。如果他們不知道場的方向，就無法準備自旋。通常情況下，這類問題的解決方案是準備許多具有不同自旋的量子比特，並利用這些量子比特來推算出場的情況。但這種方法耗時長、消耗大。

更好的方法是利用量子糾纏將該狀態發送回過去。在實驗中，兩個糾纏的量子比特之一被置於場的影響之下。然後，研究人員準備對糾纏的另一方進行測量，以將最佳狀態送回到處於場中的量子比特。