量子电池充电新思路：“逆转时间”获取能量

电池示意图。

物理学家已经证实，对某些量子系统而言，时间可以被有效地“反转”。这将开辟一种新的能量获取途径——这种能够“逆转”量子系统中时间流向的方法，未来或许能被用于协助为量子电池充电。

“时间之箭”

对于我们在宇宙中观察到的每一个过程，事件似乎只朝一个方向发生（如鸡蛋打破不会复原、记忆只记过去等），遵循一种明显的“时间之箭”（arrow of time）。然而，在（牛顿力学、电磁学、量子力学等）大多数物理定律和方程式中，无论时间向前或向后流动，都能同样成立——即都是时间反演对称（time-reversal symmetric）的：把“t”换成“-t”，方程式仍然成立。

物理学家对于“观测到的‘时间之箭’是向前的”与“物理定律允许的（时间）双向流动”之间为何存在差异，有各种不同的解释。例如，热力学第二定律指出，系统随着时间推移会倾向变得更无序（熵增加），从而产生了一个特定的时间方向。

在量子世界中，“时间之箭”的定义则有所不同。量子过程，如同经典物理定律一样，理论上可以朝任一时间方向运行；而我们可以透过比较“对量子系统的实际观测结果”与“对该量子系统该如何随时间变化的理论计算”，来定义“时间之箭”。当这些结果符合某种特定的统计模式时，我们可以说该系统正朝着时间的前方运行。

也就是说，在经典物理学里，观测一个物体对物体本身几乎没有影响；但在量子物理学里，每一次测量都会随机扰动系统的状态，这种不可逆的扰动累积起来，就产生了时间朝单一方向流动的统计偏向，也就是量子系统中“时间之箭”的起源。

藉量子轨迹的可逆性 呈现时间倒置般的效果

现在，美国新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory，LANL）的路易斯‧佩德罗‧加西亚-平托斯（Luis Pedro García-Pintos）及其同事，找到了一种方法（操控这个扰动过程），能够透过对测量对量子系统造成的改变进行“反向工程”并有效地将其抵消，从而模拟这种统计特征，使得在观察者看来，该量子系统仿佛正在时间中倒退运行。

“我们对系统施加场与控制工具，借此逆转因测量而产生的变化。”加西亚-平托斯说，“如果测量原本会把我的系统推向上，我就能让它回退向下。由于我们能够抵消这些测量的实际影响，所以我们可以产生更符合‘过程是向后发生’而非向前的粒子轨迹。”

操纵“时间之箭” 从中获得能量的机制

举例来说，研究团队指出，你可以对量子电脑的基本运算单元——量子位元（qubit）——操纵其“时间之箭”。方法是，测量其某项特性（例如其自旋），但这种测量必须以“间接”的方式进行，以避免破坏量子位元脆弱的量子态，进而达成在量子位元随时间变化的过程中，对其进行持续观测。接着，研究人员便能利用此讯号，借由施加微波辐射脉冲，来计算并改变“时间之箭”的呈现方式。

加西亚-平托斯表示，这项技术也可能允许从必须进行测量的量子系统中获取能量，这对未来开发“量子电池”或“微型量子引擎”等应用可能大有帮助。这是因为，每当对量子系统进行测量时，实际上都会将能量注入该系统之中。

而借由精确调整以模拟不断变化的量子“时间之箭”，可以有效地重新导引这些能量，并将其收集以供其它用途。

加西亚-平托斯表示：“结果就是，你从中获得了能量。你拥有一种能将测量视为热力学资源来使用的机制。”

该研究已于2月发表在《物理评论X》（Physical Review X）科学期刊。◇