Исследователи из Московского физико-технического института объединились с коллегами из США и Швейцарии и вернули состояние квантового компьютера на долю секунды в прошлое. Они также вычислили вероятность того, что электрон в пустом межзвездном пространстве самопроизвольно отправится в свое недавнее прошлое. Исследование опубликовано 13 марта в журнале Scientific Reports.

"Это одна из серии статей о возможности нарушения второго закона термодинамики. Этот закон тесно связан с понятием стрелы времени, которая устанавливает одностороннее направление времени: из прошлого в будущее ", - прокомментировал ведущий автор исследования Гордей Лесовик, который возглавляет лабораторию физики квантовых информационных технологий в МФТИ.

"Мы начали с описания так называемого локального вечного двигателя второго рода. Затем, в декабре, мы опубликовали статью, в которой обсуждается нарушение второго закона с помощью устройства, называемого демоном Максвелла ", - сказал Лесовик. "В самой последней статье та же проблема рассматривается с третьей стороны: мы искусственно создали состояние, которое развивается в направлении, противоположном направлению термодинамической стрелы времени".

Чем будущее отличается от прошлого

Большинство законов физики не делают различий между будущим и прошлым. Например, пусть уравнение описывает столкновение и отскок двух одинаковых бильярдных шаров. Если крупный план этого события записывается камерой и воспроизводится в обратном порядке, его все равно можно представить тем же уравнением. Более того, по записи нельзя было определить, была ли она подделана. Обе версии выглядят правдоподобно. Казалось бы, бильярдные шары бросают вызов интуитивному ощущению времени.

Однако представьте, что кто-то записал, как бильярдный шар разбивает пирамиду, а бильярдные шары разлетаются во все стороны. Не нужно знать правила игры, чтобы отличить реальный сценарий от обратного воспроизведения. Что делает последнее таким абсурдным, так это наше интуитивное понимание второго закона термодинамики: изолированная система либо остается статичной, либо эволюционирует к состоянию хаоса, а не порядка.

Большинство других законов физики не препятствуют тому, чтобы катящиеся бильярдные шары собирались в пирамиду, настоянный чай стекал обратно в чайный пакетик или вулкан "извергался" в обратном направлении. Но мы не видим, чтобы что-либо из этого происходило, потому что для этого потребовалось бы, чтобы изолированная система приняла более упорядоченное состояние без какого-либо вмешательства извне, что противоречит второму закону. Природа этого закона не была объяснена во всех деталях, но исследователи добились большого прогресса в понимании основных принципов, лежащих в его основе.

Спонтанное обращение времени

Квантовые физики из МФТИ решили проверить, может ли время самопроизвольно повернуть вспять хотя бы для отдельной частицы и на крошечную долю секунды. То есть вместо сталкивающихся бильярдных шаров они исследовали одинокий электрон в пустом межзвездном пространстве.

"Предположим, что электрон локализован, когда мы начинаем его наблюдать. Это означает, что мы почти уверены в его положении в пространстве. Законы квантовой механики не позволяют нам знать это с абсолютной точностью, но мы можем очертить небольшую область, где локализован электрон ", - говорит соавтор исследования Андрей Лебедев из МФТИ и ETH Цюриха.

Физик объясняет, что эволюция электронного состояния регулируется уравнением Шредингера. Хотя он не делает различий между будущим и прошлым, область пространства, содержащая электрон, будет распространяться очень быстро. То есть система имеет тенденцию становиться более хаотичной. Неопределенность положения электрона растет. Это аналогично возрастающему беспорядку в крупномасштабной системе, такой как бильярдный стол, из-за второго закона термодинамики.

"Однако уравнение Шредингера обратимо, - добавляет Валерий Винокур, соавтор статьи, из Аргоннской национальной лаборатории, США. "Математически это означает, что при определенном преобразовании, называемом комплексным сопряжением, уравнение будет описывать "размазанный" электрон, локализующийся обратно в небольшую областьпространство за тот же период времени ". Хотя это явление не наблюдается в природе, теоретически оно может произойти из-за случайной флуктуации космического микроволнового фона, пронизывающего Вселенную.

Команда намеревалась рассчитать вероятность наблюдения электрона, "размазанного" за долю секунды, спонтанно локализующегося в своем недавнем прошлом. Оказалось, что даже если потратить все время существования Вселенной - 13,7 миллиарда лет - наблюдая 10 миллиардов новых локализованных электронов каждую секунду, обратная эволюция состояния частицы произойдет только один раз. И даже тогда электрон переместился бы в прошлое не более чем на одну десятимиллиардную долю секунды.

Очевидно, что крупномасштабные явления, связанные с бильярдными шарами, вулканами и т. Д., Разворачиваются в гораздо больших временных масштабах и содержат поразительное количество электронов и других частиц. Это объясняет, почему мы не наблюдаем, как старики молодеют или чернильное пятно отделяется от бумаги.

Обращение времени вспять по требованию

Затем исследователи попытались повернуть время вспять в четырехэтапном эксперименте. Вместо электрона они наблюдали состояние квантового компьютера, состоящего из двух, а затем и трех основных элементов, называемых сверхпроводящими кубитами.

Этап 1: Порядок. Каждый кубит инициализируется в основном состоянии, обозначаемом как ноль. Эта высокоупорядоченная конфигурация соответствует электрону, локализованному в небольшой области, или стойке бильярдных шаров перед разрывом.

Этап 2: Деградация. Порядок утрачен. Точно так же, как электрон размазывается по все более обширной области пространства или ломается стойка на бильярдном столе, состояние кубитов становится все более сложной меняющейся структурой нулей и единиц. Это достигается кратким запуском программы эволюции на квантовом компьютере. На самом деле, подобная деградация произошла бы сама по себе из-за взаимодействия с окружающей средой. Однако управляемая программа автономной эволюции позволит провести последний этап эксперимента.

Этап 3: обращение времени вспять. Специальная программа изменяет состояние квантового компьютера таким образом, что затем он будет развиваться "в обратном направлении", от хаоса к порядку. Эта операция сродни случайной флуктуации микроволнового фона в случае электрона, но на этот раз она вызвана намеренно. Очевидно, надуманная аналогия для примера с бильярдом - это если кто-то нанесет столу идеально рассчитанный удар.

Этап 4: Регенерация. Программа эволюции со второго этапа запускается снова. При условии, что "удар" был доставлен успешно, программа не приводит к еще большему хаосу, а скорее перематывает состояние кубитов назад в прошлое, так, как был бы локализован размазанный электрон или бильярдные шары повторили бы свои траектории в обратном воспроизведении, в конечном итоге образуя треугольник.

Исследователи обнаружили, что в 85 процентах случаев двухкубитный квантовый компьютер действительно возвращался в исходное состояние. Когда было задействовано три кубита, возникало больше ошибок, что приводило к примерно 50-процентному успеху. По мнению авторов, эти ошибки вызваны несовершенствами реального квантового компьютера. Ожидается, что по мере разработки более сложных устройств частота ошибок снизится.

Интересно, что сам алгоритм обращения времени может оказаться полезным для повышения точности квантовых компьютеров. "Наш алгоритм может быть обновлен и использован для тестирования программ, написанных для квантовых компьютеров, и устранения шумов и ошибок", - пояснил Лебедев.

{module id="96#Сохраните материал в вашей социальной сети, чтобы легко найти его:" showtitle="true"}

{module id="103#Ответы на домашние задания:"}

Сохраните материал в вашей социальной сети, чтобы легко найти его: