粒子尺度上「回到過去」正走向現實，量子世界中時間旅行早已無處不在？

不過，這類情況適用於相對較大的時間循環，即理論上讓人類穿越到過去的那種。那麼，如果是在最微小的尺度上操作時間循環呢？在量子力學領域，已有突破性的實驗表明，我們可以在這個領域中構建數學上等效的時間循環，這就是量子封閉類時曲線（簡稱量子CTC）。

長期以來，物理學家對「量子領域中的時間循環」這個想法嗤之以鼻，主要是因為這與人們所認為的時間在這一框架中的運行方式不符。

人們認為，與廣義相對論相比，時間在量子力學中的運行方式大相逕庭。事實上，物理學家試圖將相對論和量子力學融合起來，找到一種能在各種尺度上描述現實的理論，而這種不一致正是他們面臨的一個最大障礙。

在相對論中，時間和空間交織在時空結構中，因此時間可在引力的影響下收縮和拉伸。而在量子力學中，時間通常被視為在背景中不斷滴答作響的鐘表——因果關係始終是因在前、果在後。

這聽起來似乎完全排除了量子時間循環的可能性。但是，一種日益流行的量子力學觀點以不同的方式看待時間，這種方式被稱為「逆因果性」。它的出現源於對量子力學中「糾纏」這一奇特特性的思考分歧。

當兩個粒子發生糾纏時，即使相距數十光年，它們也會表現出同一個量子態。例如，測量其中一個粒子的狀態，就能立刻知道另一個粒子的狀態。如果這些糾纏的粒子相互通信，那麼這種交換必須發生在超光速下，而相對論對此是禁止的。愛因斯坦對糾纏持懷疑態度，他認為結果必須是預先確定的，但這一點在實驗中一再被排除。

人們通常認為，量子糾纏挑戰了我們的位置概念——即物體之間的空間很重要。換句話說，糾纏證明了量子力學是「非局域」的：它不在乎距離。

與此相反，「逆因果性」將糾纏視為一種跨越時間的連接。在這種解釋中，當你測量一個糾纏的粒子時，一個信號被發送回它糾纏的時間，並隨著另一個粒子一起前進，從而消除了在廣闊距離上傳遞瞬時信息的需要。局域性得以保留，但標準的因果性被捨棄了。

儘管我們不知道哪種解釋是正確的，但長期以來，主流觀點一直認為量子力學是非局域的，而逆因果性則主要停留在哲學層面。

1991年，英國牛津大學理論物理學家戴維·多伊奇利用逆因果性提出了量子CTC的概念。多伊奇試圖利用量子物理學的某些理論來繞過任何涉及因果關係的悖論，例如「祖父悖論」。該悖論假設一名時空旅行者回到過去殺死了自己的祖父，從而也否定了自身的存在。

多伊奇的理論受到量子力學多世界解釋的啟發：他認為，一個穿越時空的粒子如果回到過去並毀滅了自己，那麼它只是進入了多元宇宙的另一個分支。但其他人認為這並不能解決悖論。

根據未來「願望清單」

改變過去

在一個思想實驗中，科學家將來自未來的「願望清單」消息傳送回過去，從而調整粒子的初始狀態。不過，該實驗實際僅有1/4的成功率，科學家丟棄了所有不想要的結果，這讓它看上去像是作弊

2010年，勞埃德和同事們發表了一個更新版的量子CTC，該版本無需調用多元宇宙來解決「祖父悖論」。它使用了量子計算中一種名為「後選擇」的技巧。「後選擇」的意思是先進行大量計算或測量，然後捨棄那些沒能輸出想要的結果的那部分。

量子世界中，總是存在不確定性因素——粒子存在於一團可能的狀態中，直到有人對其進行測量。因此，勞埃德團隊提出了一種方法，即利用後選擇和糾纏來回到過去，並改變過去那些從未被測量過的事情。勞埃德指出，必須強調的是，過去具有確定結果的事情是無法改變的。這對於那些希望嘗試時間旅行的人來說無疑是個壞消息。

事實證明，勞埃德版本的量子CTC可以發揮驚人作用。比如在計量學領域，利用量子力學系統，我們對諸如磁場、光，甚至引力波等的測量精度，可以遠超經典物理所能達到的水平。

但問題在於如何設計這樣的測量實驗。通常情況下，你並不掌握將要進行的實驗所需的信息，例如磁場的方向。沒有這些信息，就不知道該如何準備一個粒子，以便對其進行最佳測量。

美國馬里蘭大學的尼科爾·哈爾珀恩、英國劍橋大學的戴維·舒庫爾以及瑞士蘇黎世聯邦理工學院的艾丹·麥康奈爾就曾被這一問題所困擾，直到哈爾珀恩看到了勞埃德的量子CTC想法。

2023年，這三位研究人員發表了一個思想實驗，概述了如何有效利用粒子來創建勞埃德提出的「量子時間循環」。這個實驗涉及到一組粒子在一個特殊順序中的糾纏和測量。