物理学家长期以来一直试图了解世界的不可逆性，并将它的出现归功于时间对称（时间之箭）的基本物理定律。根据量子力学，概念性时间反转的最终不可逆性，需要极其复杂且难以置信的场景，而这些场景不太可能在自然界中自发发生。物理学家之前已经证明，虽然在自然环境中时间可逆性是指数级不可能的，但有可能设计一种算法，在量子计算机中人为地将时间箭头反转到已知或给定的状态。
然而，这个人为版本的反向时间之箭只包含了一种已知的量子态，因此被比作是在视频播放上按下倒带来“逆转时间流”的量子版本。在最新发表在《通信物理学》期刊上的一份新研究报告中，物理学家A.V.Lebedev和V.M.Vinokur以及材料、物理和先进工程学的同事们，在他们之前研究的基础上，开发了一种技术方法来逆转任意未知量子态的时间演变。这项技术研究将为通用通用算法及时倒流任意系统的时间演化开辟了新途径。
时间之箭和制定时间反向协议
虽然这项研究只概述了时间反转（时间倒流）的数学过程，还没有实验实现。时间箭头起源于以相对于热力学第二定律的奇异路径表示时间方向，这意味着熵增长源于系统对环境的能量耗散。因此，科学家可以考虑与系统与环境纠缠相关的能量耗散。以前的研究仅仅集中在时间之箭的量子观点和理解Landau-Neumann-Wigner假设的影响，如以量化在IBM量子计算机上反转时间之箭的复杂性。
在目前的研究中，科学家们建议使用有限温度下的热力学储存库来形成高熵随机浴来对给定的量子系统进行热化，并在实验上增加系统中的热无序或熵。然而，在实验上，量子计算机不支持热化，这是目前提议的关键第一步。理论上，热库的存在出人意料地使得在其他地方制备辅助(替代)量子系统的高温热态成为可能，该系统受相同的哈密顿量（与系统中所有粒子动能和势能之和相对应的算符）支配。
这使得列别捷夫和维诺库尔能够在数学上设计出一种反向时间演化的算符，来逆转给定量子系统中的时间动力学。研究使用量子系统(混合态)的密度矩阵，定义了未知量子态的普遍时间反转过程；以描述时间系统演化到其原始状态的反转。在实施时间反转箭头的同时，新系统的量子态可能仍然未知。
通用程序及其辅助系统
与已知量子态时间反转的先前协议相比，初始态也不必是纯粹不相关的状态，并且可以保持在混合态，并且与过去与环境的相互作用相关。研究小组注意到，系统中混合高熵状态的时间反转复杂性降低了。利用S.Lloyd，Mohseni和Rebtrost之前详细描述的反转过程(LMR过程)来构建或绘制初始密度矩阵。LMR程序考虑了所讨论的系统和Ancilla组合布置，以完成可逆计算。
实验系统将配备一个热力学浴池，以使Ancilla热化，并为反向进化提供所需的状态。系统越热，就会变得越混乱。通过使用热源将辅助系统暴露在极高温度下。矛盾的是，研究目的是用LMR公式通过实验观察初级系统冷而有序的过去，通用时间反转算法可以反向运行计算，而不需要“倒带”到特定的量子态，只要该算法有助于将时间反转到其起始点。
时间反转过程的计算复杂度
这项研究只概述了时间反转的数学分析，而没有具体说明实验实现。在进行时间反转的同时，所提出的系统继续保持其哈密顿量所支配的正向演化。未知量子态的时间反转计算复杂度与系统希尔伯特空间维数（抽象矢量空间）的平方成正比。为了在实践中实现这一点，实验系统将需要一个在未知哈密顿量下演化的自然系统，以及量子计算机不支持的热化，并与通用量子门配对以实现时间反转。
因此，这项研究的实际实施将需要对现有的量子计算机进行升级，以满足概述的要求。对现有的量子芯片设计进行升级，以实现一套可以在高温环境下按需加热的相互作用量子比特(量子比特)。要做到这一点，超导量子比特可以与传输线耦合，在传输线上将馈送高温热辐射，以将量子比特设置为高熵此后，它们将需要第二组量子位来存储类似于原始量子位组的量子态（温状态）。
升级现有量子芯片设计的一条途径
当最初的一组量子比特随后被实验热化以实现联合LMR演化时，后续的量子比特将能够在相同哈密顿量下，经历时间反转的动力学，以达到原始状态。如果准确实施，其机制还将促进升级后的量子计算机纠错，以确认其正确的功能，研究设想在具有按需加热量子比特的紧急计算机上实施该过程。通过这种方式，Lebedev和Vinokur通过数学演示了未知混合量子态的时间反转过程。
这个过程依赖于LMR协议的执行和Ancilla系统的存在，Ancilla系统的动力学可以由与反向系统哈密顿量相同的哈密顿量来管理。为了完成反转过程，将需要将LMR协议顺序应用于在热状态下准备的系统和Ancilla联合状态。这项研究开发了一个公式，以突出应该重复的周期数，以将给定系统的状态逆转到过去的较早状态，而这个数字将取决于系统的复杂性以及它应该追溯到多远的时间。
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参考期刊《通信物理学》
DOI: 10.1038/s42005-020-00396-0
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