你有沒有好奇過，科幻作品中常常出現(xiàn)的各種設(shè)定，是純屬虛構(gòu)？還是在真實(shí)的科研中確有其事？

我是一位量子物理與量子信息研究者，在量子科學(xué)的方向做了二十幾年的研究。從中學(xué)開始，我就是一個(gè)科幻迷。買來的每一期科幻雜志都如饑似渴地讀。1999年高考時(shí)，居然破天荒地出了一道科幻作文題：《假如記憶可以移植》。我高興壞了：讀了多年的科幻小說，終于派上用場了！我寫了一篇議論文，但卻只拿到了作文的及格分。幸好我的物理、化學(xué)成績還不錯(cuò)，最后還是考上了西安交通大學(xué)應(yīng)用物理專業(yè)。

上大學(xué)后，我仍對(duì)科幻抱有濃厚興趣，讀了很多科幻小說?？佳袝r(shí)，我選了“量子信息與量子計(jì)算”——科幻小說中常見的未來殺手锏技術(shù)——作為自己的研究方向?；仡欉^去我做過的研究課題，有很多都與科幻關(guān)系密切。

本篇文章就跟大家聊聊我的那些與科幻密切相關(guān)的研究。

Part.1

時(shí)間，真的可以循環(huán)嗎？

科幻作品中經(jīng)常出現(xiàn)基于時(shí)間循環(huán)設(shè)定的故事。比如說科幻電影《明日邊緣》中，男主角不斷地復(fù)活去和外星人作戰(zhàn)，在不斷的時(shí)間循環(huán)中提升自己，最終戰(zhàn)勝了外星人。前幾年的爆款電視劇《開端》，男女主角也是經(jīng)過了25次循環(huán)的公共汽車爆炸后，才終于找出了爆炸案后的真兇。循環(huán)時(shí)間到底是純粹腦洞，還是存在某些科學(xué)機(jī)理？

時(shí)間晶體是與循環(huán)時(shí)間有關(guān)的一個(gè)新現(xiàn)象。我們知道，水分子降溫到冰點(diǎn)之下就會(huì)結(jié)冰，形成晶體，此時(shí)水分子自發(fā)地按一定空間周期與取向有規(guī)則的排布起來。愛因斯坦告訴我們，世界是四維的，在三維的空間之外，還有一個(gè)時(shí)間維度。既然有空間晶體，那么是不是也存在著在時(shí)間上結(jié)晶的物質(zhì)呢？

事實(shí)上，循環(huán)時(shí)間的科幻故事，可以認(rèn)為是在時(shí)間晶體宇宙中發(fā)生的。

圖1 量子時(shí)空晶體概念示意圖（圖片來源：Physical Review Letters）

時(shí)間晶體是2012年前由美國物理學(xué)家Frank Wilczek提出的。據(jù)說最初他將其稱為“時(shí)間平移對(duì)稱性的自發(fā)破缺”。當(dāng)她夫人聽說后，建議說干脆就叫“時(shí)間晶體”吧！一個(gè)令人浮想聯(lián)翩的名字就此誕生。

那段時(shí)間，我與合作者們正在從理論上研究一個(gè)有趣的現(xiàn)象：在磁場中把一個(gè)帶電的納米粒子囚禁在環(huán)形光阱中，冷卻其運(yùn)動(dòng)到量子基態(tài)附近將會(huì)自發(fā)出現(xiàn)單向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)我讀到Wilczek教授發(fā)在預(yù)印本網(wǎng)站上有關(guān)時(shí)間晶體的理論時(shí)，立即領(lǐng)悟到我們研究的其實(shí)就是時(shí)間晶體。通過與合作者深入研究后，我們提出利用離子阱系統(tǒng)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)時(shí)間與空間晶體，也就是“時(shí)空晶體”（如圖1所示）。

Wilczek教授曾設(shè)想，未來我們也許可以基于時(shí)間晶體實(shí)現(xiàn)能完成復(fù)雜計(jì)算的循環(huán)計(jì)算機(jī)。通過對(duì)時(shí)間晶體進(jìn)行編程，可以把人腦的意識(shí)上傳到這個(gè)時(shí)空晶體中。我們可以把自己最美好、難忘的回憶和感受存儲(chǔ)在里面。有了這樣的時(shí)間晶體，即使地老天荒，即使宇宙熱寂，我們那些美妙的情感仍舊永存。而循環(huán)時(shí)間的科幻故事，也許就是發(fā)生在這些時(shí)間晶體中的。

Part.2

意識(shí)，真的可以傳輸嗎？

意識(shí)傳輸也是科幻中常見的橋段。經(jīng)典的《黑客帝國》電影三部曲，就是基于意識(shí)上傳到母體的設(shè)定。與意識(shí)傳輸相關(guān)，還有所謂的隔空傳物。美國科幻電視劇《星際迷航》中，宇航員可以借助傳輸儀從太空飛船中直接傳輸?shù)叫乔虮砻?，也可以從星球表面?zhèn)鬏敾仫w船。這個(gè)設(shè)想能成立么？

1993年，Bennett等人發(fā)現(xiàn)，借助量子糾纏和經(jīng)典通訊，我們可以把未知的量子態(tài)隔空傳輸?shù)竭h(yuǎn)處，而無需物質(zhì)粒子的實(shí)際移動(dòng)。這個(gè)方法被稱為量子隱形傳態(tài)。1997年，奧地利Zeilinger組驗(yàn)證量子隱形傳態(tài)原理。2015年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授與陸朝陽教授組實(shí)現(xiàn)了光子多自由度信息同時(shí)量子隱形傳輸?？紤]到真實(shí)生命體內(nèi)部的粒子都是包含多個(gè)自由度的，因此這個(gè)實(shí)驗(yàn)為未來實(shí)現(xiàn)真正的量子隔空傳輸生命體的內(nèi)部信息開辟了道路。

要通過量子隱形傳態(tài)實(shí)現(xiàn)生物體記憶的傳輸，我們先得做出生物的量子態(tài)?！把Χㄖ@的貓”就出現(xiàn)了：如果量子疊加性能在生物體中存在，那么我們就能讓一只貓?zhí)幱谏c死的量子疊加態(tài)。這種既生又死，非生非死的狀態(tài)挑戰(zhàn)了人們的常識(shí)，激發(fā)了一代代物理學(xué)家深入研究，并啟發(fā)了量子多世界理論的提出。作為物理學(xué)家，我們不愿深陷思辨的漩渦，而要用扎實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說話。

圖2 薛定諤的細(xì)菌實(shí)驗(yàn)方案（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

近年來，科學(xué)家在低溫超導(dǎo)電路系統(tǒng)中把直徑15微米，厚100納米的鋁薄膜機(jī)械振子冷卻到量子基態(tài)，并制備其量子疊加。2016年，與李統(tǒng)藏合作，我們提出把細(xì)菌冷凍后粘到這個(gè)薄膜表面（如圖2所示）。如果制備薄膜的量子疊加態(tài)，也就實(shí)現(xiàn)了細(xì)菌的量子疊加。

這有什么意義呢？首先，它非?？?！實(shí)現(xiàn)薛定諤貓雖然仍舊遙遙無期，但薛定諤的細(xì)菌并不遠(yuǎn)，微生物的量子疊加近在眼前。其次，超導(dǎo)電路系統(tǒng)可以構(gòu)成微生物之間的量子通道，把微生物的內(nèi)部自旋與另外一個(gè)微生物的運(yùn)動(dòng)態(tài)糾纏起來，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)微生物的內(nèi)部自旋態(tài)之間的量子隱形傳態(tài)，換句話說，實(shí)現(xiàn)了微生物“記憶”的傳輸。我在高考語文作文上的失誤，一直讓我耿耿于懷，這項(xiàng)研究終于讓我釋懷了。

圖3 量子多世界中的薛定諤貓（圖片來源：維基百科）

Part.3

平行宇宙真的存在嗎？

我們已經(jīng)聊了量子時(shí)間晶體、量子生物體，物理學(xué)家腦洞到頭了么？顯然沒有。1957年，普林斯頓大學(xué)物理博士生Everett在他的博士論文中，提出了量子多世界理論。這個(gè)理論把量子力學(xué)看作最為基礎(chǔ)的理論，我們整個(gè)宇宙就處于某個(gè)量子狀態(tài)上。為什么我們看不到生與死量子疊加的薛定諤貓呢？因?yàn)楹凶哟蜷_時(shí)，測(cè)量儀器與貓的狀態(tài)之間就產(chǎn)生的某種關(guān)聯(lián)，活貓與死貓這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的宇宙量子態(tài)分裂的，也就是出現(xiàn)了量子平行宇宙，如圖3所示。

這個(gè)神奇的腦洞激發(fā)了無數(shù)科幻影視作品。比如前幾年在央視8套播出的電視劇《天才基本法》就是基于平行宇宙的設(shè)定而編寫的故事。在這個(gè)故事中，主角們的意識(shí)在草莓世界和芝士世界之間來回穿越，深刻地改變了他們的命運(yùn)。實(shí)際上，物理學(xué)家對(duì)量子多世界之間的穿越問題做過深入的研究，1991年時(shí)Polchinski發(fā)現(xiàn)，如果在量子力學(xué)中增加一點(diǎn)非線性，就能導(dǎo)致超光速通信和量子多世界之間的信息交互。反過來說，如果量子力學(xué)是完全線性的，那么量子平行宇宙之間是無法通信的。至于量子力學(xué)中有沒有非線性呢？到目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)，量子多世界之間的穿越還只是一個(gè)美好的幻想。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tongcang Li, Zhang-Qi Yin. Quantum superposition, entanglement, and state teleportation of a microorganism on an electromechanical oscillator. [J]. Science Bulletin, 2016, 61: 163-171

出品：科普中國

作者：尹璋琦

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