時間循環、平行宇宙、意識上傳…還真有啊？我不裝了，攤牌了！

你有沒有好奇過，科幻作品中常常出現的各種設定，是純屬虛構？還是在真實的科研中確有其事？

我是一位量子物理與量子信息研究者，在量子科學的方向做了二十幾年的研究。從中學開始，我就是一個科幻迷。買來的每一期科幻雜志都如饑似渴地讀。1999年高考時，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、化學成績還不錯，最后還是考上了西安交通大學應用物理專業。

上大學后，我仍對科幻抱有濃厚興趣，讀了很多科幻小說。考研時，我選了“量子信息與量子計算”——科幻小說中常見的未來殺手锏技術——作為自己的研究方向。回顧過去我做過的研究課題，有很多都與科幻關系密切。

本篇文章就跟大家聊聊我的那些與科幻密切相關的研究。

Part.1

時間，真的可以循環嗎？

科幻作品中經常出現基于時間循環設定的故事。比如說科幻電影《明日邊緣》中，男主角不斷地復活去和外星人作戰，在不斷的時間循環中提升自己，最終戰勝了外星人。前幾年的爆款電視劇《開端》，男女主角也是經過了25次循環的公共汽車爆炸后，才終于找出了爆炸案后的真兇。循環時間到底是純粹腦洞，還是存在某些科學機理？

時間晶體是與循環時間有關的一個新現象。我們知道，水分子降溫到冰點之下就會結冰，形成晶體，此時水分子自發地按一定空間周期與取向有規則的排布起來。愛因斯坦告訴我們，世界是四維的，在三維的空間之外，還有一個時間維度。既然有空間晶體，那么是不是也存在著在時間上結晶的物質呢？

事實上，循環時間的科幻故事，可以認為是在時間晶體宇宙中發生的。

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

時間晶體是2012年前由美國物理學家Frank Wilczek提出的。據說最初他將其稱為“時間平移對稱性的自發破缺”。當她夫人聽說后，建議說干脆就叫“時間晶體”吧！一個令人浮想聯翩的名字就此誕生。

那段時間，我與合作者們正在從理論上研究一個有趣的現象：在磁場中把一個帶電的納米粒子囚禁在環形光阱中，冷卻其運動到量子基態附近將會自發出現單向轉動。當我讀到Wilczek教授發在預印本網站上有關時間晶體的理論時，立即領悟到我們研究的其實就是時間晶體。通過與合作者深入研究后，我們提出利用離子阱系統，可以同時實現時間與空間晶體，也就是“時空晶體”（如圖1所示）。

Wilczek教授曾設想，未來我們也許可以基于時間晶體實現能完成復雜計算的循環計算機。通過對時間晶體進行編程，可以把人腦的意識上傳到這個時空晶體中。我們可以把自己最美好、難忘的回憶和感受存儲在里面。有了這樣的時間晶體，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。而循環時間的科幻故事，也許就是發生在這些時間晶體中的。

Part.2

意識，真的可以傳輸嗎？

意識傳輸也是科幻中常見的橋段。經典的《黑客帝國》電影三部曲，就是基于意識上傳到母體的設定。與意識傳輸相關，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到星球表面，也可以從星球表面傳輸回飛船。這個設想能成立么？

1993年，Bennett等人發現，借助量子糾纏和經典通訊，我們可以把未知的量子態隔空傳輸到遠處，而無需物質粒子的實際移動。這個方法被稱為量子隱形傳態。1997年，奧地利Zeilinger組驗證量子隱形傳態原理。2015年，中國科學技術大學潘建偉教授與陸朝陽教授組實現了光子多自由度信息同時量子隱形傳輸。考慮到真實生命體內部的粒子都是包含多個自由度的，因此這個實驗為未來實現真正的量子隔空傳輸生命體的內部信息開辟了道路。

要通過量子隱形傳態實現生物體記憶的傳輸，我們先得做出生物的量子態。“薛定諤的貓”就出現了：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處于生與死的量子疊加態。這種既生又死，非生非死的狀態挑戰了人們的常識，激發了一代代物理學家深入研究，并啟發了量子多世界理論的提出。作為物理學家，我們不愿深陷思辨的漩渦，而要用扎實的實驗數據來說話。

圖2 薛定諤的細菌實驗方案（圖片來源：參考文獻[1]）

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

這有什么意義呢？首先，它非常酷！實現薛定諤貓雖然仍舊遙遙無期，但薛定諤的細菌并不遠，微生物的量子疊加近在眼前。其次，超導電路系統可以構成微生物之間的量子通道，把微生物的內部自旋與另外一個微生物的運動態糾纏起來，可以實現兩個微生物的內部自旋態之間的量子隱形傳態，換句話說，實現了微生物“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？

我們已經聊了量子時間晶體、量子生物體，物理學家腦洞到頭了么？顯然沒有。1957年，普林斯頓大學物理博士生Everett在他的博士論文中，提出了量子多世界理論。這個理論把量子力學看作最為基礎的理論，我們整個宇宙就處于某個量子狀態上。為什么我們看不到生與死量子疊加的薛定諤貓呢？因為盒子打開時，測量儀器與貓的狀態之間就產生的某種關聯，活貓與死貓這兩種狀態對應的宇宙量子態分裂的，也就是出現了量子平行宇宙，如圖3所示。

這個神奇的腦洞激發了無數科幻影視作品。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定而編寫的故事。在這個故事中，主角們的意識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。實際上，物理學家對量子多世界之間的穿越問題做過深入的研究，1991年時Polchinski發現，如果在量子力學中增加一點非線性，就能導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。至于量子力學中有沒有非線性呢？到目前為止還沒有發現，量子多世界之間的穿越還只是一個美好的幻想。

參考文獻：

[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

監制：中國科普博覽

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