物理學家演示“量子時間反演”。

物理學家最近首次通過實驗做到了讓光子同時在時間上前進和後退。這個聽起來匪夷所思的實驗運用了量子力學中的兩個古怪概念——疊加態和CPT對稱原理。實驗能夠幫助人類提升量子計算技術，增進對量子引力論的理解，或許還能讓我們一窺黑洞內部和時間旅行的奧祕。

實驗由兩組相互獨立的科學家完成。他們使用了一種特殊的晶體，將光子一分爲二，然後再結合在一起，並在此過程中演示了所謂的“量子時間反演”。

量子力學中的疊加態指的是粒子能夠同時處於多種狀態，直至它們被觀測。比如著名的“薛定諤的貓”。而CPT對稱指的是包含粒子的系統，在電荷、空間位置和時間方向全然相反，亦即被鏡像化的情況下，其所遵守的物理學規律與未被鏡像時完全一樣。

物理學中的大部分基本規律都與時間的方向無關。也就是說，即便時間反演，結果也是一樣。但熱力學第二定律卻是例外。熱力學第二定律認爲一個封閉系統的“熵”只可能增加，不可能減少。熵指的是一個系統的混亂程度，它反映的是時間流逝的方向，亦稱“時間之箭‬”。它是物理學中極少數與時間流逝方向有關的概念之一。比如一個杯子被打破，那麼它的熵就會增加，而這意味着這就是時間流逝的方向；假如打碎的杯子自動復原，那麼就意味着熵的減少，以及時間發生了倒流。

但是熵主要是一個統計概念，不適用於單一的亞原子粒子。理論上粒子在時間上是前進還是後退是無法區分的。

疊加態原理能夠讓粒子同時在時間維度上向着前後兩個方向運動，但用實驗驗證這一點很困難。這兩個科研團隊各自設計了一套相似的實驗裝置，能夠用晶體分割疊加態光子，使之沿着兩條不同的路徑運動。疊加態光子在一條路徑上正常地運動，與此同時又在另外一條路徑上被極化，其空間指向被改變。

研究人員隨後用另一塊晶體將疊加態光子再度結合在一起，並對光子的極化進行了測量。結果他們發現了一種明暗相間的量子干涉條紋，表明光子被分割成了在時間維度上同時向前和向後運動的兩部分，就像一個能夠同時左旋和右旋的陀螺一樣。

該實驗可以爲設計能夠同時在時間的兩個方向上運行的可反演計算機邏輯門提供指導。以此原理設計的量子計算機處理器，可以擁有極其強大的算力。

與此同時，它也可以爲致力於統一廣義相對論和量子力學的科學家提供參考。未來的量子引力論中可能會包括這種擁有多個時間方向的粒子，它能讓科學家洞悉宇宙中某些極端神祕現象的奧祕，例如黑洞的內部和時間旅行。

參考
Experimental demonstration of input-output indefiniteness in a single quantum device

/abs/2210.17046
Experimental superposition of time directions

/abs/2211.01283