时间循环、平行宇宙、意识上传…还真有啊？我不装了，摊牌了！

你有没有好奇过，科幻作品中常常出现的各种设定，是纯属虚构？还是在真实的科研中确有其事？

我是一位量子物理与量子信息研究者，在量子科学的方向做了二十几年的研究。从中学开始，我就是一个科幻迷。买来的每一期科幻杂志都如饥似渴地读。1999年高考时，居然破天荒地出了一道科幻作文题：《假如记忆可以移植》。我高兴坏了：读了多年的科幻小说，终于派上用场了！我写了一篇议论文，但却只拿到了作文的及格分。幸好我的物理、化学成绩还不错，最后还是考上了西安交通大学应用物理专业。

上大学后，我仍对科幻抱有浓厚兴趣，读了很多科幻小说。考研时，我选了“量子信息与量子计算”——科幻小说中常见的未来杀手锏技术——作为自己的研究方向。回顾过去我做过的研究课题，有很多都与科幻关系密切。

本篇文章就跟大家聊聊我的那些与科幻密切相关的研究。

Part.1

时间，真的可以循环吗？

科幻作品中经常出现基于时间循环设定的故事。比如说科幻电影《明日边缘》中，男主角不断地复活去和外星人作战，在不断的时间循环中提升自己，最终战胜了外星人。前几年的爆款电视剧《开端》，男女主角也是经过了25次循环的公共汽车爆炸后，才终于找出了爆炸案后的真凶。循环时间到底是纯粹脑洞，还是存在某些科学机理？

时间晶体是与循环时间有关的一个新现象。我们知道，水分子降温到冰点之下就会结冰，形成晶体，此时水分子自发地按一定空间周期与取向有规则的排布起来。爱因斯坦告诉我们，世界是四维的，在三维的空间之外，还有一个时间维度。既然有空间晶体，那么是不是也存在着在时间上结晶的物质呢？

事实上，循环时间的科幻故事，可以认为是在时间晶体宇宙中发生的。

图1 量子时空晶体概念示意图（图片来源：Physical Review Letters）

时间晶体是2012年前由美国物理学家Frank Wilczek提出的。据说最初他将其称为“时间平移对称性的自发破缺”。当她夫人听说后，建议说干脆就叫“时间晶体”吧！一个令人浮想联翩的名字就此诞生。

那段时间，我与合作者们正在从理论上研究一个有趣的现象：在磁场中把一个带电的纳米粒子囚禁在环形光阱中，冷却其运动到量子基态附近将会自发出现单向转动。当我读到Wilczek教授发在预印本网站上有关时间晶体的理论时，立即领悟到我们研究的其实就是时间晶体。通过与合作者深入研究后，我们提出利用离子阱系统，可以同时实现时间与空间晶体，也就是“时空晶体”（如图1所示）。

Wilczek教授曾设想，未来我们也许可以基于时间晶体实现能完成复杂计算的循环计算机。通过对时间晶体进行编程，可以把人脑的意识上传到这个时空晶体中。我们可以把自己最美好、难忘的回忆和感受存储在里面。有了这样的时间晶体，即使地老天荒，即使宇宙热寂，我们那些美妙的情感仍旧永存。而循环时间的科幻故事，也许就是发生在这些时间晶体中的。

Part.2

意识，真的可以传输吗？

意识传输也是科幻中常见的桥段。经典的《黑客帝国》电影三部曲，就是基于意识上传到母体的设定。与意识传输相关，还有所谓的隔空传物。美国科幻电视剧《星际迷航》中，宇航员可以借助传输仪从太空飞船中直接传输到星球表面，也可以从星球表面传输回飞船。这个设想能成立么？

1993年，Bennett等人发现，借助量子纠缠和经典通讯，我们可以把未知的量子态隔空传输到远处，而无需物质粒子的实际移动。这个方法被称为量子隐形传态。1997年，奥地利Zeilinger组验证量子隐形传态原理。2015年，中国科学技术大学潘建伟教授与陆朝阳教授组实现了光子多自由度信息同时量子隐形传输。考虑到真实生命体内部的粒子都是包含多个自由度的，因此这个实验为未来实现真正的量子隔空传输生命体的内部信息开辟了道路。

要通过量子隐形传态实现生物体记忆的传输，我们先得做出生物的量子态。“薛定谔的猫”就出现了：如果量子叠加性能在生物体中存在，那么我们就能让一只猫处于生与死的量子叠加态。这种既生又死，非生非死的状态挑战了人们的常识，激发了一代代物理学家深入研究，并启发了量子多世界理论的提出。作为物理学家，我们不愿深陷思辨的漩涡，而要用扎实的实验数据来说话。

图2 薛定谔的细菌实验方案（图片来源：参考文献[1]）

近年来，科学家在低温超导电路系统中把直径15微米，厚100纳米的铝薄膜机械振子冷却到量子基态，并制备其量子叠加。2016年，与李统藏合作，我们提出把细菌冷冻后粘到这个薄膜表面（如图2所示）。如果制备薄膜的量子叠加态，也就实现了细菌的量子叠加。

这有什么意义呢？首先，它非常酷！实现薛定谔猫虽然仍旧遥遥无期，但薛定谔的细菌并不远，微生物的量子叠加近在眼前。其次，超导电路系统可以构成微生物之间的量子通道，把微生物的内部自旋与另外一个微生物的运动态纠缠起来，可以实现两个微生物的内部自旋态之间的量子隐形传态，换句话说，实现了微生物“记忆”的传输。我在高考语文作文上的失误，一直让我耿耿于怀，这项研究终于让我释怀了。

图3 量子多世界中的薛定谔猫（图片来源：维基百科）

Part.3

平行宇宙真的存在吗？

我们已经聊了量子时间晶体、量子生物体，物理学家脑洞到头了么？显然没有。1957年，普林斯顿大学物理博士生Everett在他的博士论文中，提出了量子多世界理论。这个理论把量子力学看作最为基础的理论，我们整个宇宙就处于某个量子状态上。为什么我们看不到生与死量子叠加的薛定谔猫呢？因为盒子打开时，测量仪器与猫的状态之间就产生的某种关联，活猫与死猫这两种状态对应的宇宙量子态分裂的，也就是出现了量子平行宇宙，如图3所示。

这个神奇的脑洞激发了无数科幻影视作品。比如前几年在央视8套播出的电视剧《天才基本法》就是基于平行宇宙的设定而编写的故事。在这个故事中，主角们的意识在草莓世界和芝士世界之间来回穿越，深刻地改变了他们的命运。实际上，物理学家对量子多世界之间的穿越问题做过深入的研究，1991年时Polchinski发现，如果在量子力学中增加一点非线性，就能导致超光速通信和量子多世界之间的信息交互。反过来说，如果量子力学是完全线性的，那么量子平行宇宙之间是无法通信的。至于量子力学中有没有非线性呢？到目前为止还没有发现，量子多世界之间的穿越还只是一个美好的幻想。

参考文献：

[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：科普中国

作者：尹璋琦

监制：中国科普博览

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