У нашому повсякденному досвіді час це вулиця з одностороннім рухом. Ми бачимо, що розбиті яйця залишаються розбитими, а пролите молоко ніколи не повертається назад у склянку. Це зумовлено Другим законом термодинаміки, який свідчить, що ентропія – чи безладдя – у системі завжди зростає з часом. Однак нові теоретичні дослідження припускають, що на субатомному рівні цю «стрілу часу» насправді можна повернути назад.
Концепція оборотності
Дослідження, опубліковане в журналі Physical Review X фізиком Луїсом Педро Гарсіа-Пінтосом та його командою, демонструє, що в квантових системах події можна «перевернути», щоб вони пішли у зворотному напрямку. Хоча ці результати на даний момент є теоретичними, вони є математичною дорожньою картою того, як такий подвиг може бути досягнутий за допомогою точного зовнішнього управління.
Щоб зрозуміти, як це працює, необхідно розглянути взаємозв’язок між виміром та порядком:
- Роль виміру: У квантовій механіці частинки перебувають у стані суперпозиції — тобто вони одночасно перебувають у кількох станах — до того часу, поки їх виміряють. Акт виміру «сплескує» цей стан в один певний результат.
«Демон» у машині: У XIX столітті Джеймс Клерк Максвелл запропонував уявний експеримент за участю «Демона Максвелла» — гіпотетичної істоти, яка могла б сортувати швидкі та повільні молекули, щоб зменшити ентропію. - Гамільтонове управління: Дослідники використовували комп’ютерне моделювання, щоб виступити в ролі сучасного «демона». Застосовуючи певну послідовність полів та імпульсів, відому як гамільтоніан, вони змогли повернути віртуальну квантову систему у її вихідний стан, фактично скасувавши ефекти часу та вимірювання.
Чому це важливо для майбутнього технологій
Здатність звертати назад квантові процеси – це не просто філософська цікавість; це рішення однієї з найбільш значущих «перешкод» у сучасній фізиці: декогеренції.
Декогеренція відбувається, коли квантова система взаємодіє з довкіллям, через що вона втрачає свої унікальні квантові властивості і перетворюється на звичайне, «класичне» стан. Ця втрата інформації є основною причиною того, чому створення стабільних великомасштабних квантових комп’ютерів так важко.
«Навернення часу на квантовому рівні може зупинити втрату інформації, яка перешкоджає роботі квантових комп’ютерів», – зазначає Андреа Рокко, фізик з Університету Суррея. — «Це миттєво стане неймовірною перевагою при створенні таких квантових технологій».
Потенційні галузі застосування
Крім стабілізації квантових комп’ютерів, дослідження передбачає кілька трансформаційних способів використання гамільтонова керування:
- Виправлення квантових помилок: Звернення декогеренції може дозволити вченим «скасовувати» помилки, викликані впливом навколишнього середовища, тим самим підтримуючи стабільність квантових бітів (кубітів) протягом більш тривалих періодів.
- Двигуни безперервного вимірювання: Енергія, що вводиться в систему під час вимірювання, потенційно може бути «витягнута назад» за допомогою гамільтоніана і збережена, діючи подібно до квантової батареї для живлення інших процесів.
Висновок
Довівши, що напрямком часу можна маніпулювати в контрольованих квантових середовищах, дослідження відкриває нові горизонти для квантових обчислень. Якщо ці теоретичні моделі вдасться успішно перенести у фізичні експерименти, можуть надати інструменти, необхідні подолання крихкості квантової інформації.
