混沌理論認為，一個微小的、無關緊要的事件或情況會對塑造一個大型複雜系統未來演變的方式產生巨大的影響。許多人對所謂的蝴蝶效應很熟悉，這個概念通常可以追溯到科幻小說作家雷·布拉德伯裡 1952 年的故事《雷霆之聲》。在那個故事中，一個穿越時空回到遠古時代獵殺霸王龍的男人不小心踩死了一隻蝴蝶。當他回到現在時，他發現這個看似微不足道的行為改變了歷史的程序——而且是以一種不好的方式。
在 20 世紀 70 年代早期，氣象學家和數學家愛德華·諾頓·洛倫茨在科學領域闡述了蝴蝶效應，並開創了混沌理論領域。用通俗的語言來說，這種效應的版本認為，初始條件強烈地影響著高度複雜系統的演變。在洛倫茨的比喻中，巴西一隻蝴蝶翅膀的拍打最終可能導致德克薩斯州的一場龍捲風，而這場龍捲風原本不會發生。這意味著，如果你可以回到過去並稍微改變過去，系統內就會演變出不同的未來。包含你現在的未來將會消失。
蝴蝶效應在我們的日常世界中被廣泛接受，在日常世界中，經典物理學描述了原子尺度以上的系統。但在亞微觀世界中，量子力學佔據主導地位，適用著不同且非常奇怪的規則。蝴蝶效應仍然成立嗎？如果不是，會發生什麼呢？
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和想法的具有影響力的故事的未來。
正如我們在物理評論快報上發表的同行評議文章中所描述的那樣，當我們在開發一種保護量子資訊的新方法時，我們探索了量子力學的這一方面。利用複雜演化誘導的量子糾纏特性，我們希望將量子位元（量子位）置於一種免受損壞的狀態。然後，即使有人試圖損壞或竊取資訊，也可以在不改變資訊的情況下檢索它們。這種能力將有助於保護量子資訊，並提供一種隱藏資訊的方法。
為了做到這一點，我們首先使用量子力學方程進行了理論分析——良好的舊式白板工作。然後，我們在IBM-Q 量子處理器上進行了一項實驗。
在白板理論階段，我們透過測量並因此改變一個量子位元，將一個複雜量子系統的演化與一個相同設計的系統（但初始條件區域性改變）進行了比較。我們預期會得到類似於經典結果的結果。也就是說，隨著系統在足夠長的時間內演化，我們認為曾經是雙胞胎系統的特定量子位元的區域性變數最終會具有非常不同的值——換句話說，就是蝴蝶效應。
在我們的思想實驗中，我們招募了每位量子理論家的老朋友，愛麗絲和鮑勃，我們的實驗化身。他們考慮的演化涉及到一個以複雜方式演化的電路。該電路將許多量子門隨機應用於許多量子位元。這些門對量子位元執行操作，每個門代表時間中的一個步驟，就像時鐘的滴答聲。
這是我們在理論上的“晶片世界”中的時間正向旅行操作。
愛麗絲在現在時間準備好她的一個量子位元，並反向執行電路，模擬回到過去的時間旅行。在過去，鮑勃測量量子位元的極化，這是儲存在愛麗絲量子位元中的區域性資訊。由於量子世界中的測量會改變被測粒子的狀態，因此這種測量會改變極化，在這種情況下，極化就是資訊。此外，根據量子動力學定律，這種侵入性測量會破壞量子位元與晶片世界其餘部分的所有量子關聯。因此，我們認為過去的這個世界發生了改變，以至於回到之前的現在——這個改變後的量子位元的未來——將改變整個晶片世界。
接下來，我們正向執行電路，將世界帶回到現在時間。根據雷·布拉德伯裡的設想，鮑勃對量子位元狀態造成的微小損害應該在複雜的正向時間演化過程中迅速放大。這將意味著愛麗絲最終無法恢復她的資訊。被踩扁的蝴蝶應該已經徹底改變了她現在的資訊。
但它沒有。
為了對這些結果進行下一次測試，我們在 IBM-Q 量子處理器上的模擬中進行了類似的實驗。為了模擬時間旅行，我們將量子位元以相反的順序透過計算機門傳送。這些門操縱量子位元，並代表時間步長。然後，我們透過僅測量一個區域性量子位元來破壞模擬過去的資訊，而所有其他量子位元都保持其量子關聯並保持糾纏。
在破壞性測量之後，我們運行了我們的正向時間協議，然後測量了量子位元的狀態：它已經返回到基本上與反向演化之前相同的狀態，加上一些小的背景噪聲。由於整個系統的初始狀態在量子關聯中強烈糾纏，因此漫長而複雜的演化基本上恢復了受擾量子位元的資訊。
令我們驚訝的是，我們不僅在量子系統中證偽了蝴蝶效應，而且還發現了一種無蝴蝶效應，就好像系統想要保護現在一樣。
在量子意義上強烈糾纏意味著系統最初在其各個部分之間具有強大的量子關聯。糾纏的量子位元共享各種屬性，例如極化，並且在某些方面作為一個整體行動。即使在改變區域性資訊之後，純粹的量子和全域性關聯也會在所有糾纏的量子位元之間設定護欄，引導它們恢復受損的區域性變數。演化越長越複雜，它產生的量子關聯就越多，因此我們的預測就越好，現在就越穩健。
你可以說量子力學中的現實是自愈的。
我們的理論適用於足夠複雜的量子演化，在這種演化中，不同量子位元之間的量子關聯有時間在反向時間演化過程中出現。這種方法具有實際應用，例如測試量子計算機的量子性。在不確定量子計算機是否實際上使用量子力學來獲得其結果（它可能仍然依賴於經典物理學）的情況下，我們的無蝴蝶效應可以用來測試它，因為我們的效應是純粹的量子力學效應。另一個潛在的應用是保護資訊，因為量子電路上的隨機演化可以保護量子位元免受攻擊。
接下來，我們希望在實驗室（而不是量子計算機）的實際物理量子系統中實驗驗證該效應，可能使用表現出量子力學行為的超冷原子。這將使我們能夠在可以應用於保護量子資訊的實際問題的情況下演示該效應。
除了這些實際用途之外，無蝴蝶效應還引發了關於量子領域和我們日常經驗的經典物理世界之間差異的有趣問題。大多數物理學家認為量子力學適用於我們可以觀察到的尺度，無論我們看向哪裡，但它通常會產生與經典物理學相同的預測。物理學家仍在努力解決經典世界如何在我們的日常生活中從量子世界中湧現出來的問題。無蝴蝶效應在多大程度上適用於我們生活中的宏觀世界是一個懸而未決的問題，經典蝴蝶效應在多大程度上可能適用於量子世界也是如此。我們希望在未來的研究中回答這些問題。時間會證明一切。
此處描述的研究得到了美國能源部、科學辦公室、基礎能源科學、材料科學與工程部、凝聚態物質理論計劃的支援。