Физики из Лос-Аламосской национальной лаборатории разработали протокол управления квантовыми системами, который позволяет экспериментально моделировать динамику, соответствующую обратному течению времени.
Речь не идет о реальном путешествии во времени: ученые показали, как с помощью квантовых измерений и обратной связи заставить систему вести себя так, будто стрела времени направлена назад.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review X.
Главные мысли за 1 минуту:
- Ученые создали метод управления квантовыми системами, имитирующий обратное течение времени.
- Подход основан на сочетании квантовых измерений и системы обратной связи, что позволяет формировать стохастические траектории с обратной стрелой времени.
- Технология не нарушает фундаментальные законы физики, а использует симметрию квантовых уравнений относительно времени.
- В перспективе метод может помочь в извлечении энергии из квантовых систем и создании новых типов квантовых устройств.
- Следующий этап — экспериментальная проверка на сверхпроводниковых кубитах.
Почему время в квантовом мире не так однозначно
В макромире время однонаправлено: предметы разбиваются, звезды взрываются, обратные процессы не встречаются. Это явление называют «стрелой времени». Однако на микроуровне квантовые системы подчиняются иным законам. Уравнения квантовой механики симметричны относительно времени — они одинаково описывают эволюцию системы как вперед, так и назад. Это не означает, что время можно обратить вспять, но математика допускает существование обратной динамики при определенных условиях.
Прямые и обратные процессы
В физике прямые процессы — это привычная эволюция. Обратные процессы не противоречат законам природы, но развиваются в противоположном направлении. В таком процессе система начинает из состояния, соответствующего завершению прямого процесса, и изменяется под действием того же гамильтониана — оператора энергии. При этом некоторые величины (импульс, магнитное поле) меняют знак, а координаты остаются неизменными.
Как ученые «развернули» время экспериментально
Физик Луис Педро Гарсия-Пинтос поясняет: на микроскопическом уровне большинство фундаментальных законов допускает движение времени в обе стороны. Исследователи решили проверить, можно ли воспроизвести обратную динамику лабораторно. Для этого они разработали специальный протокол — комбинацию квантовых измерений и системы обратной связи.
В квантовой механике измерение меняет состояние системы случайным образом. Авторы работы использовали этот эффект: после каждого измерения они корректировали состояние системы с помощью обратной связи, направляя ее дальнейшее развитие по заданной траектории. Так формируются стохастические траектории, которые соответствуют динамике с обратной стрелой времени. Система ведет себя так, словно ее эволюция идет в противоположном временном направлении.
Управляющий гамильтониан
Для реализации идеи исследователи применили специальный управляющий гамильтониан — заранее рассчитанную последовательность электромагнитных полей и импульсов, имитирующую квантовые измерения. В паре с обратной связью такой гамильтониан может компенсировать влияние измерений, усиливать изменения или превышать их. Это позволяет формировать режимы эволюции с растянутой, размытой или условно обращенной стрелой времени.
Куда это приведет: энергия и квантовые вычисления
Авторы отмечают: метод открывает возможность не только управлять динамикой, но и контролировать потоки энергии, входящие и выходящие из системы. В будущем это может привести к новым способам извлечения энергии, которую можно накапливать в квантовых батареях. При определенных условиях технология способна стать основой для двигателя непрерывных измерений, извлекающего энергию из процесса наблюдения даже при задержках обратной связи.
Следующий шаг
Ученые планируют экспериментальную проверку на сверхпроводниковых кубитах. Эти системы обеспечивают высокую скорость обратной связи и эффективную регистрацию квантовых состояний. Авторы надеются, что разработка пригодится не только для изучения фундаментальных свойств квантовой механики, но и для подготовки квантовых состояний и совершенствования квантовых вычислителей.
