Физики смогли обратить время вспять, используя квантовый компьютер

Легко принять направление времени только вперед как должное, но физические механизмы на самом деле работают так же плавно, и в обратном направлении. Может быть, машина времени, в конце концов, возможна?

Эксперимент, проведенный ранее в этом году, показывает, сколько места для маневра у нас есть, когда речь идет о различении прошлого от будущего, по крайней мере, в квантовом масштабе.

Исследователи из России и США объединились, чтобы найти способ нарушить или, по крайней мере, изменить один из самых фундаментальных законов физики в области энергетики.

Второй закон термодинамики является менее жестким правилом и больше руководящим принципом для Вселенной. В нем говорится, что со временем горячие вещи становятся холоднее, поскольку энергия трансформируется и распространяется из областей, где она наиболее интенсивна.

Это принцип, который объясняет, почему ваш кофе не останется горячим в холодной комнате, почему легче взбить яйцо, чем разделить белок от желтка, и почему никто никогда не позволит вам запатентовать вечный двигатель.

Это также самое правило, которое говорит нам, почему мы можем вспомнить, что у нас было на ужин вчера вечером, но не знаем, что будет в следующем году.

«Этот закон тесно связан с понятием «стрелы времени», которое определяет направление времени из прошлого в будущее», — говорит квантовый физик Гордей Лесовик из Московского физико-технического института.

Практически любое правило в физике может быть изменено и все же иметь смысл. Например, рассмотрим игру в бильярд: одиночное столкновение между любыми двумя шарами не будет выглядеть странно, если вы увидите его в обратном порядке.

В макромасштабе мы не должны ожидать, что в законах термодинамики будет много полезного. Но когда мы фокусируемся на крошечных механизмах реальности — в данном случае, на единичных электронах — появляются лазейки.

Электроны не похожи на крошечные бильярдные шары, они больше похожи на информацию, которая занимает место. Их детали определяются так называемым уравнением Шредингера, которое представляет возможности характеристик электрона как случайную волну.

Если это немного сбивает с толку, давайте вернемся к представлению игры в бильярд, но на этот раз свет выключен. Вы начинаете с информации — шара — в вашей руке, а затем отправляете шар по столу.

Уравнение Шредингера говорит вам, что шар где-то на бильярдном столе движется с определенной скоростью. В квантовом выражении шар может быть повсюду с разными скоростями… некоторые просто более вероятны, чем другие.

Вы можете протянуть руку и схватить его, чтобы точно определить местоположение шара, но теперь вы не уверены, насколько быстро он катился. Вы могли бы прикоснуться пальцем и узнать его скорость, но откуда он катился… вы не узнаете.

Есть еще один трюк, который вы можете использовать. Через долю секунды после того, как вы отправили этот шар, вы можете быть уверены, что он все еще находится рядом с вашей рукой и движется с высокой скоростью.

В определенном смысле уравнение Шредингера предсказывает то же самое для квантовых частиц. Со временем возможные положения и скорости частицы расширяются.

«Однако уравнение Шредингера обратимо», — говорит ученый Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории в США.

«Математически это означает, что при определенном преобразовании, называемом комплексным сопряжением, уравнение будет описывать «размазанный» электрон, локализующийся обратно в небольшой области пространства за тот же период времени».

Это похоже на то, как будто ваш шар больше не растекается по волне бесконечных возможных позиций по темному столу, а перематывается обратно в вашу руку.

Вам нужно было бы отслеживать 10 миллиардов электронных бильярдных столов каждую секунду времени жизни нашей Вселенной, чтобы увидеть, как это произойдет однажды.

Вместо того чтобы терпеливо ждать и наблюдать, команда использовала неопределенные состояния частиц в квантовом компьютере в качестве своего бильярдного стола, и некоторые манипуляции с компьютером в качестве «машины времени».

Каждое из этих состояний или кубитов было упорядочено в простое состояние, соответствующее руке, держащей мяч. Как только квантовый компьютер был приведен в действие, эти состояния превратились в ряд возможностей.

Путем изменения определенных условий в настройке компьютера эти возможности были ограничены таким образом, чтобы эффективно перематывать уравнение Шредингера.

Чтобы проверить это, команда снова запустила установку, как будто трясла бильярдный стол и наблюдала, как разбросанные шары перестраиваются в первоначальную форму пирамиды. Примерно в 85 процентах испытаний, основанных только на двух кубитах, именно это и произошло.

На практическом уровне алгоритмы, которые они использовали для манипулирования уравнением Шредингера для перемотки таким образом, могли бы помочь повысить точность квантовых компьютеров.

Это не первый раз, когда эта команда ученых дала хороший пинок второму закону термодинамики. Пару лет назад они запутали некоторые частицы и смогли нагреть и охладить их таким образом, чтобы они эффективно вели себя как вечный двигатель.

Это исследование было опубликовано в Scientific Reports.