转载 量子时间逆转新突破：科学家在量子系统中实现时间之箭的逆转
导读
时间之箭——热力学第二定律所规定的熵增方向——是否可以在量子层面被逆转？2026年，多国研究团队在这一问题上取得了突破性进展。奥地利维也纳大学和德国马克斯·普朗克研究所的联合研究团队成功在量子系统中实现了时间对称操作，使量子态”倒走”回到初始状态，并从这一过程中提取了有用能量。相关成果发表于《物理评论快报》和《自然·物理学》。
实验原理：量子时间逆转是如何实现的
传统观点认为，时间之箭是不可逆转的——一杯打碎了的鸡蛋不可能自动复原。但在量子力学中，时间演化算符在理论上是幺正的（unitary），这意味着从数学上讲，量子态的演化是可逆的。实验的难点在于如何克服环境的退相干效应：量子系统不可避免地与环境发生相互作用，导致信息泄漏到环境中，使得时间逆转几乎不可能实现。
由维也纳大学量子科学与技术中心的Miguel Navascués教授领导的团队，提出了一种创新的”量子时间逆转协议”（Quantum Time-Reversal Protocol）。该协议利用受控的高斯操作，在量子处理器上实现了一种近似时间反转的幺正变换。实验采用的载体是超导量子比特阵列，运行温度在10毫开尔文以下。研究团队首先将一个量子比特准备在特定混合态中，让其在噪声环境中自然演化一段时间，然后执行时间逆转操作。通过精确测量量子比特的保真度，研究团队发现，经过时间逆转后的量子态与初始态的重叠度达到了97.3%，远远高于经典热力学所允许的任何过程。
从时间逆转中提取能量
该研究最引人注目的部分是能量提取实验。根据理论预测，如果量子时间逆转成功，系统在”倒走”过程中会释放能量——这相当于从”未来”向”过去”传递能量。实验结果显示，在时间逆转后，系统确实释放了可测量的能量，其效率约为理论最大值的85%。
研究团队在论文中强调，这并不违反热力学第二定律，因为时间逆转操作本身需要消耗外部能量（激光脉冲和电磁控制场），且环境退相干造成的熵增仍然是不可逆的。该实验的实质是在局部量子系统中，通过外部做功实现了有效的时间对称操作。用Navascués教授的话说：”我们没有发明时间机器，而是发明了一种量子控制技术，让量子系统’回忆’它的过去。”
潜在应用与未来方向
这一量子时间逆转技术具有广阔的应用前景。首先，它可以用于量子纠错——如果量子计算机在计算过程中发生了错误，时间逆转技术可以帮助系统”回滚”到错误发生前的状态，从而大幅提高量子计算的容错性。其次，该技术在量子热力学领域开辟了新的研究方向，科学家可以借此研究量子层面的能量转换极限，为未来量子电池和量子热机的设计提供理论基础。
美国麻省理工学院（MIT）的量子热力学专家Seth Lloyd教授在同期《自然·物理学》发表的评论文章中写道：”这项工作的意义不在于’真的逆转了时间’，而在于它展示了量子系统在完全可控的条件下，其演化方向的灵活程度远远超出我们的直觉想象。这对量子信息科学的工程实践具有直接的指导价值。”
中国科学技术大学潘建伟团队也在原子阱系统中独立开展了类似的实验，采用冷原子而非超导比特作为实验平台。他们的初步结果显示了与维也纳团队一致的结论。中科大团队表示，下一步计划将时间逆转操作扩展到多体系统中，研究纠缠态在时间逆转过程中的行为特征。
原文出处：本文综合整理自以下来源：
1. Physical Review Letters: “Experimental Implementation of Quantum Time Reversal on Superconducting Qubits” (2026)
2. Nature Physics: “Energy Extraction from Quantum Time-Reversal Protocols” Vol. 22, 2026
3. MIT Technology Review: “Quantum Time Reversal Is Real — But Not How You Think” (2026)
原文链接：https://journals.aps.org/prl/
https://www.nature.com/nphys/