電影《夏洛特煩惱》中，夏洛“偶然”穿越了時間，回到了他的中學時期。于是，他利用生活的經驗，轉身變為大歌星，成為人生的贏家，住豪宅，開跑車，娶美女，過上了普通人難以企及的生活。然而，現實是殘酷的，時間不可逆，“逝者如斯夫”啊！

可是，對于單個原子來說，時間的逆轉在百萬分之一秒內可以實現。紐約時報日前報道了這樣一項研究，通過在IBM的量子計算機上人為操控單個粒子的量子狀態，可以讓單個粒子變得更“年輕”。實際上，這項由來自俄國和美國的物理學家共同完成的研究，是去年在論文預印本網站arxiv上發布的。

對于經典計算機，每一個儲存位或是0，或是1，以此來存儲或處理信息。而量子計算機的一大優勢，就是每一個儲存位可以同時是0或者是1，是兩者的一個疊加狀態，如同那只著名的薛定諤貓一樣，同時是死或活的狀態。

本來在物理學的基礎理論中，沒有時間的箭頭。時間向前演進和向后演進，同樣符合基本的物理方程。因此，突然有了時間箭頭這件事，不管是牛頓力學，還是高速運動下的相對論力學，量子力學都是不可理解的。

現在知道，時間不可逆的根源是熱力學第二定律，其本質上是統計規律導致。所以一個必要的條件是有大量的原子，比如數量級達到10的23次方以上的宏觀物體，就滿足這個條件，因而導致時間出現逆轉的幾率只會在理論上出現，現實中可以忽略不計。所以才會出現破鏡難圓，覆水難收。

這一次物理學家的成果，著眼于單個粒子的量子狀態，在IBM的量子計算機中實現了單個原子的狀態的時間逆轉。量子計算機可以解決經典計算機所無法解決的問題，比如大數的因數分解，這個會引發密碼安全的問題，因而其發展受到大家的廣泛關注。在量子計算機領域，有“量子霸權”的說法，當人為控制的量子位達到一定的數量，比如40位，就可以完成對經典計算機的取代。但目前量子計算機的一個重要問題是其量子位不穩定，易受到環境擾動的影響。

量子力學中，一個基本的概念是認為粒子也有波動性，而這些波必須滿足薛定諤方程。在薛定諤方程中，讓時間反演，方程也成立。但據這篇文章看來，理論上看起來“成立”事情，現實操作起來很困難，這是技術上的一個難題，而在自然環境中，幾乎不可能發生。

他們的實驗分為如下幾步，首先，用量子比特模仿一個“人造原子”的簡單初始狀態。然后，該團隊用一系列微波無線電脈沖點擊量子比特，經過了τ（～10-6s），這使得量子比特從一個簡單的狀態變得更加復雜。此后，科學家用另一個微波脈沖點擊量子比特，經過了τ時間后，使得原子回復到初狀態，相似程度達到86%。所以，原子在人為的操縱下，又變得“年輕”了，雖然沒有完全回復到以前的狀態。

這一次，并非大量粒子的統計規律導致了時間箭頭，單個粒子的狀態在自然狀況中也是不可逆的。文章認為對于時間逆轉，需要一個復雜的人為操作。但在大多數情況下，這樣的操作不可能自發地發生在自然界。

“我們的結果證實，即使是符合量子力學的粒子，讓它在自然界自行發生時間反轉，也幾乎是不可能的”，Vinokuor博士認為，目前他是美國阿貢實驗室的成員。也是這篇論文的五位作者之一。

考慮到量子力學中占基礎地位的海森堡的測不準原理表述，即你不能同時非常精確地了解一個原子的位置和其動量。Vinokuor以打臺球比喻說，如果你打的是量子臺球，對單原子進行時間逆轉操控，難度在于用球桿把臺球打到原始的位置。粗略的說，打臺球的力度和方向是無法完全確定的。

當系統增加到兩個粒子，如果粒子在初始時刻波包有疊加的狀態。那么，用經典的電磁場完全沒有辦法恢復到粒子的初始狀態；即使沒有疊加，量子的糾纏狀態——即愛因斯坦所說的怪異的相互作用（spooky interaction）——讓兩個粒子的狀態瞬間關聯在一起，從而讓問題的復雜程度增加到一個新的層次，用經典的電磁場沒法完全回復粒子的初始狀態。

圖丨左：“IBM Q”量子系統的稀釋制冷機，里面裝有量子計算機。

右：IBM量子計算科學家 Hanhee Paik（左）和 Sarah Sheldon（右）展示紐約約克敦 IBM T. J. Watson 研究中心內一個打開的稀釋制冷機內的硬件。（ 來源：IBM Research）

時間可逆性問題，在2002年就引起了大家的關注。因為當時一組澳大利亞的科學家發現，微米量級的小球，在分鐘尺度內，會出現破壞熱力學第二定律的現象。當時，甚至《新科學家》都以“熱力學第二定律遭到破壞”對此進行了報道。

單個粒子的時間逆轉已經很困難了，更不要談我們日常生活中碰到的宏觀數量級的粒子。所以，在實際生活中，你我都被時間的洪流推動著，向前跑。