复联4量子有什么用 看懂量子计算一秒破译复联4

2019 年 4 月 24 日，《复仇者联盟 4：终局之战》在大陆上映。电影很精彩，而在这之中，钢铁侠托尼·史塔克提到的科学家大卫·多伊奇（David Deutsch），他的研究成果成为了引领整个故事走向的重要理论。

在电影中，蚁人告诉浩克，说他会在穿越到过去后小心谨慎行事，绝对不会和过去的自己接触，也不会杀死任何人。而浩克则告诉蚁人，这种事情是不会发生的，因为复仇者们穿越到的过去是另外一个时间线，即漫威电影平行宇宙，因而不会对他们目前所处的主宇宙造成影响。当然，漫威也没忘了利用这个机会调侃一下多部著名时空穿越电影......

图 | 复仇者联盟成员进行穿越

浩克的说法来自于多伊奇的理论。多伊奇是牛津大学的理论物理学家，他的理论《近封闭类时线量子力学》（Quantum mechanics near closed timelike lines (ams/mathscinet-getitem?mr=1138904)）也曾于 1991 年 11 月 15 日发表，其理论主要内容为通过量子力学的推论，穿越到过去发生的事情并不会影响现在。在该论文中，多伊奇的方法是基于阿隆佐·邱琦（Alonzo Church）所提出的邱琦图灵猜想：每个有限可实现的物理系统都可以通过有限手段运行的通用模型计算机完美地模拟。由此制作出一种模型计算机，它是图灵机的量子泛化，即通用量子计算机。而这种计算机和量子理论是相容的。

多伊奇认为，类似通用量子计算机的计算机器是可以建造的，并具有许多远超任何图灵机的性能。这种计算机虽然没有非递归函数的计算，但它们确实包括“量子并行”。到此处就会发现，量子计算机祖宗理查德·费曼（Richard Phillips Feynman）所提出的构想“用量子系统构成的计算机来模拟量子现象，则运算时间可大幅度减少”，这和多伊奇的理论极为接近，甚至可以说是一样的。

接着多伊奇又以通用量子计算机为基础，于 1989 年发表了《量子计算网络》。这篇文章和人们口中的互联网、万维网关系不大，主要是经典计算机中逻辑电路理论的量子扩展。他提出了量子门的概念，这是经典逻辑门的延伸。量子门是单一类型的门，连同量子“单位线”，足以构建具所有量子计算特性的网络。

通过上述的这两种猜想，就可以用量子计算机模拟封闭类时间曲线（closed timelike curve，CTC）中的量子运动过程。在一洛伦兹流形中，一条 CTC 是一物质粒子于时空中的一种时间线，其为“封闭”，亦即会返回起始点。

时间线理论也被动画片《命运石之门》当作重要的背景设定。即使在相同时间，不同时间线的故事截然不同。

CTC 理论中也强调了这样一个猜想：假如你回到过去，在自己父亲出生前把自己的祖父母杀死，但此举动会产生一矛盾的情况，你回到过去杀了你年轻的祖父，祖父死了就没有父亲，没有父亲也不会有你，那么是谁杀了祖父呢？

这就是祖父悖论。而《复仇者联盟 4：终局之战》中蚁人和钢铁爱国者所提到的假设，就是基于此。

图 | 复仇者联盟（来源：pixabay）

CTC 的存在源于广义相对论，2018 年 7 月时，德国马普学会地外物理研究所科学Reinhard Genzel 在银河系中央捕捉到将恒星释放的光线拉长的巨大黑洞。根据爱因斯坦的广义相对论，光线在强引力场作用下会出现拉伸现象，波长变长，向红波方向偏移，这被称为引力红移效应。

也就意味着，多伊奇利用通用量子计算机和量子计算网络模拟 CTC，是有可能的。只是他本人在当时可能不知情，多伊奇所生活的年代，广义相对论并未得到证实，甚至连量子物理学也仍是奇思异想。

既然多伊奇猜想的前提至少是得到认可的，那么他接下来的猜测也就相对合理了。他先抽象出基础几何，因为通用量子计算机是基于邱琦图灵理论的，所以论证部分只考虑有限数量粒子的时间线。同时，多伊奇忽略了粒子运动所产生的偏差值，把它视作为经典动力学。

多伊奇在文中指出，只有当粒子的时间线在太空中非常接近时，它们才会相互作用。而借由此产生的模型是有限的。虽然当它在沿着固定轨道运行，仅在短距离内相互作用，可能看起来是限制性的和人为的，但其实并非如此。

首先，这类模型在计算上是通用的，因为上文提到的量子计算网络可以模拟任何有限量子系统的行为，允许网络具有时间和空间循环，可以以适当的方式扩展普遍性。其次，对于任何量子计算网络来说，都有一个时空的概念，这样粒子通过网络的轨迹就可以用一组相应连接和对齐的时空时间线段来识别。

根据模拟的结果多伊奇发现，以往 CTC 研究中的祖父悖论，无论人们采取何种假设，在量子力学下根本不会发生，因为一切发生在一个崭新的时空。这就与《假面骑士电王》中时间列车改变过去、影响未来的概念截然相反。

既然如此，时空穿越或许真的有可能？抛开古一法师提到的无限宝石不在原点会触发新的时间线不谈，《复仇者联盟 4：终局之战》的剧情真的就合理了吗？

多伊奇在论文的最后是这样说的，“邱琦图灵原理暗示，如果 CTC 在时空的某个地方出现非零振幅，那么原则上制造时间机器是可能的。但奇怪的是，对一个很可能不会发生的物理情况进行分析，竟然会对量子理论产生如此多的见解。”

换句话说，多伊奇本人压根不相信时空穿越这种事，他全文只是在用量子理论证明祖父悖论是错的，仅此而已。也正是因此许多影评人认为，美国队长最后穿越回过去归还原时间点上的无限宝石，最后却能在 1970 年生活，并且出现在电影的片尾，实际上是一个为了交接振金盾牌而出现的小小BUG。

但是事情到这里还没完，多伊奇的确是在论文中夹带私货，把得了时空穿越妄想症的人 Diss 了一番。于是就有人忍不住站出来了，指着多伊奇理论的鼻子说，不能时空穿越？你的文章结果不仅让人匪夷所思，甚至从直觉上就是错的。

图 | 灭霸穿越到未来

这个人就是澳大利亚昆士兰大学数学和物理学院量子计算和通信技术中心的马丁·林鲍尔（Martin Ringbauer）。他于 2014 年发表了论文《封闭类时间曲线的实验模拟》，通过标题就能看出林鲍尔想要直接用结果推翻多伊奇的猜想。

现代实验量子模拟允许人们提出有意义的问题，这些问题提供了对复杂量子系统行为的见解。在量子力学的各个领域，特别是相对论量子信息领域，已经获得了初步结果。最近的实验成功，加上人们对量子力学非线性扩展研究的热忱越来越高涨，结果就激发了这样一个问题：从根本上讲，非线性动力学和 CTC 引起的独特行为是否可以通过实验模拟？

在多伊奇的模型中，量子态模型| ψ >与自身的旧版本进行交互。这种情况确保了在量子态可能不会在虫洞内发生变化的意义上，物理的一致性以及引起量子态的非线性演化。

图丨图中ρCTC 的量子态由多伊奇的一致性关系决定（图源：《封闭类时间曲线的实验模拟》）

为了用量子力学模拟出这种非线性演化，林鲍尔利用向系统中输入额外信息所获得的有效非线性。具体来讲就是使用关于量子态|ψ〉和 U 在初始状态的信息，按照一致性关系方程的要求，在适当状态的ρCTC 中准备 CTC 的量子位。进化完成后，林鲍尔再对 CTC 量子位进行全量子态层析成像，以验证一致性关系是否满足。

图丨一致性关系方程（图源：《封闭类时间曲线的实验模拟》)

通过模拟ρCTC 在 CTCT 中的变化，特别是不同形式的消相干的影响。林鲍尔发现系统中固有的非线性实际上并不一致，这表明非线性效应仅在某些情况下和特定的一组测量中变得明显。

用通俗的话来描述这项研究就是，科学家使用两个光量子（光子）模拟了量子粒子在时间中的旅行，并对其“一举一动”进行了研究，结果表明，至少在量子尺度上，时间旅行是可以实现的。

这也就意味着多伊奇的结论不一定正确。

为什么说不一定正确呢？诚然用于研究在实践中很难甚至无法观测的量子系统，量子模拟就成为了一种多功能且功能强大的工具。人们尽管迄今为止尚未发现 CTC，却仍然能够能用量子模拟研究其独特的性质和行为。

可关键在于，量子模拟不一定是准确的，还需要进一步验证。林鲍尔的模拟只有在得到进一步验证以后，才能推翻多伊奇的理论。因此多伊奇是否是错的，或许只有钢铁侠自己心理清楚。

林鲍尔的研究符合大众的期望。人们通常以为，在爱因斯坦的广义相对论中，只要超过光速就可以时间旅行。

广义相对论也确实没有禁止时间旅行，在理论上，类似黑洞的大质量物体的强大引力场能让时空发生扭曲，有可能创造出“封闭类时曲线”，一个允许向后旅行的环。霍金等物理学家都不喜欢“封闭类时曲线”，因为任何时间旅行都不可避免地产生诸如祖父悖论这样情况，导致因果律瓦解。

图 | 封闭类时曲线

但重庆师范大学物理与电子工程学院讲师胡锋告诉我们，祖父悖论实际上是“不成立”的。在广义相对论中，单个粒子的时间穿越是可能的；但由亿万个细胞、无数复杂生化反应构成的人身上，是不可能发生时空穿越的，统计学规律限制了这一切。

不只是人体，只要进入微米以上尺度，时间穿越就不会发生。比如一杯水，把它泼向大海，那么你再也得不到同样的一杯水，真正是覆水难收。

时至今日，纵然量子力学有着很多缺陷，比如在表述一个完整的引力场时，量子力学的基础假设就和广义相对论产生了严重的冲突。但这并不妨碍量子力学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解，也无法阻止人们对于这门学科的追捧与热爱。

世界上，量子力学对今天人们的科技生活有着极为广泛的影响，众所周知的激光，就是利用了电子的波粒二象性原理。诸如此类的事物还有很多，尤其是时间和宇宙，都可以用量子力学来解释。

当然，娱乐作品才是量子力学最多的输出领域，时间穿越的魅力还是难以抗拒的。除了上文提到的《命运石之门》和《假面骑士电王》以外，还有像是《凉宫春日的忧郁》《绝园的暴风雨》《未来日记》等。游戏中对于穿越的描述更是屡见不鲜，《英雄联盟》中的艾克和《DOTA2》中的编织者都能进行穿越，从而回到几秒前的地方。还有那个直接把量子力学所涉及的科学理论搬到游戏中去的《量子破碎》。

毫无疑问，《复仇者联盟 4：终局之战》是在众多穿越作品中最好看的之一。电影容纳了钢铁侠、黑寡妇为了拯救世界的决心，也塑造了灭霸这样又强大、又具毁灭性的大反派。

作为一名漫威的忠实观众，我甚至都难以想象漫威影业会在未来呈现给观众怎样的冲击力。那些像是无限、永恒、死亡、熵这样的宇宙神明是否会走上荧屏？收购了 20 世纪福克斯的迪士尼会不会拍摄复仇者对 X 战警系列？新生代的英雄们又将展开怎样的冒险？《少年复仇者》又能否登场……

亚历山大·普希金在《奥涅金》中这样写到，“梦想，梦想！你们去了哪里？你们是多么引人入胜！”

感谢漫威，用虚构出来的复仇者们，圆了人们一场真切的科幻梦。演员会有老得演不动戏的时候，英雄却万古长青。

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