Физики приблизились к моделированию обратного течения времени

Физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали протокол управления квантовыми системами, который позволяет моделировать процессы, эквивалентные обратному течению времени. Исследование опубликовано в престижном журнале Physical Review X.

Почему время необратимо в макро- и обратимо в микромире?

В привычном для человека мире все процессы имеют строго одно направление: растения растут, предметы разрушаются, звезды взрываются сверхновыми. Эта однонаправленность получила название «стрела времени».

Однако на микроскопическом уровне законы физики оказываются значительно сложнее. Фундаментальные уравнения квантовой механики во многих случаях симметричны относительно времени — то есть одинаково хорошо описывают эволюцию системы как вперед, так и назад.

Это вовсе не означает, что время можно свободно обратить вспять. Речь идет о математической возможности существования обратной динамики при выполнении определенных условий.

В чем суть нового метода управления временем?

В физике обычные процессы называют прямыми. Им противопоставляются обратные процессы, которые не противоречат фундаментальным законам природы, но развиваются в противоположном направлении. Во время такого обратного процесса система начинает эволюцию из состояния, соответствующего завершению прямого процесса, и продолжает меняться под действием того же самого математического оператора — гамильтониана.

Исследователи решили проверить, можно ли экспериментально воспроизвести подобную обратную динамику. Для этого они разработали специальный протокол управления квантовыми системами.

Как работает квантовое управление с обратной связью?

Ключевое отличие квантовой механики от классической физики в том, что сам процесс измерения способен случайным образом изменить состояние системы. Ученые объединили квантовые измерения с системой обратной связи, что позволяет после каждого измерения корректировать состояние системы и направлять ее дальнейшее развитие по заранее заданной траектории.

Такая комбинация формирует так называемые стохастические траектории, которые соответствуют динамике с обратной стрелой времени. Система начинает вести себя так, словно ее эволюция происходит в противоположном временном направлении.

Для проверки идеи физики использовали специальный управляющий гамильтониан — заранее рассчитанную последовательность электромагнитных полей и импульсов, воспроизводящую эффект квантовых измерений. В сочетании с системой обратной связи такой гамильтониан способен компенсировать влияние измерений, усиливать возникающие изменения или даже намеренно их превышать.

Какие перспективы открывает технология?

По мнению авторов, разработанный метод открывает возможность не только управлять квантовой динамикой, но и контролировать потоки энергии, входящие в систему и покидающие ее. В будущем это может привести к созданию новых способов извлечения энергии, которую потенциально можно будет накапливать в квантовых батареях.

Предложенные инструменты также позволяют моделировать обратную временную динамику открытых квантовых систем. При определенных условиях это может стать основой для своеобразного двигателя непрерывных измерений, извлекающего энергию непосредственно из процесса квантового наблюдения даже при наличии неизбежных задержек в работе системы обратной связи.

Что дальше?

Следующим этапом проекта станет экспериментальная проверка предложенного метода на сверхпроводниковых кубитах. Такие квантовые системы обеспечивают высокую скорость работы обратной связи и эффективную регистрацию квантовых состояний, что делает их подходящей платформой для подобных исследований.

Авторы рассчитывают, что разработанная технология окажется полезной не только для изучения фундаментальных свойств квантовой механики, но и для создания новых методов подготовки квантовых состояний и совершенствования будущих квантовых вычислительных систем.

Ранее мы писали, что в Тасмании началась финальная стадия строительства «черного ящика Земли» — 16-метрового монолита, призванного сохранить знания о нашей цивилизации в случае глобальной катастрофы.