Физики приблизились к экспериментальному моделированию обратного течения времени
Группа физиков представила новый метод управления квантовыми системами, который позволяет воспроизводить динамику, соответствующую обратному течению времени. По словам авторов работы, речь не идёт о настоящем путешествии во времени, а о создании экспериментальных условий, при которых поведение квантовой системы развивается так, словно стрела времени направлена в противоположную сторону.
Исследователи считают, что предложенный подход может открыть новые возможности для управления квантовыми процессами. В перспективе технология также может использоваться при разработке методов извлечения энергии из квантовых систем и создании новых типов квантовых устройств.
В привычном для человека мире практически все процессы имеют только одно направление во времени. Растения растут, предметы разбиваются, звёзды завершают свою жизнь взрывами сверхновых, однако обратные процессы в природе не наблюдаются.
Такая однонаправленность получила название «стрела времени». Однако на микроскопическом уровне законы физики оказываются значительно сложнее.
Квантовые системы, например кубиты, подчиняются законам квантовой механики, а не классической физики. При этом фундаментальные уравнения квантовой механики во многих случаях симметричны относительно времени, то есть одинаково описывают эволюцию системы как вперёд, так и назад.
Тем не менее это вовсе не означает, что время можно свободно обратить вспять. Скорее, математическое описание допускает существование обратной динамики при выполнении определённых условий.
В физике обычные процессы называют прямыми. Им противопоставляются обратные процессы, которые также 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 изменяться под действием того же гамильтониана — математического оператора, определяющего энергетическое состояние системы и её изменение во времени. При этом некоторые физические величины, например импульс или магнитное поле, меняют знак, тогда как координаты остаются неизменными.
Как объясняет физик Луис Педро Гарсия-Пинтос из Лос-Аламосской национальной лаборатории, на микроскопическом уровне большинство фундаментальных законов физики допускает движение времени как вперёд, так и назад. Именно поэтому исследователи решили проверить, можно ли экспериментально воспроизвести подобную обратную динамику.
Для этого учёные разработали специальный протокол управления квантовыми системами. В отличие от классической физики, где измерение практически не влияет на объект наблюдения, в квантовой механике сам процесс измерения способен случайным образом изменить состояние системы.
Чтобы использовать этот эффект, исследователи объединили квантовые измерения с системой обратной связи. Такой подход позволяет после каждого измерения корректировать состояние системы и направлять её дальнейшее развитие по заранее заданной траектории.
Авторы работы утверждают, что подобная комбинация измерений и обратной связи позволяет формировать так называемые стохастические траектории, которые соответствуют динамике с обратной стрелой времени. Иными словами, система начинает вести себя так, словно её эволюция происходит в противоположном временном направлении.
Для проверки своей идеи исследователи 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. Благодаря этому удаётся формировать различные режимы эволюции, включая процессы с растянутой, размытой или условно обращённой стрелой времени.
По мнению авторов, разработанный метод открывает возможность не только управлять квантовой динамикой, но и контролировать потоки энергии, входящие в систему и покидающие её. В будущем это может привести к созданию новых способов извлечения энергии, которую потенциально можно будет накапливать в квантовых батареях.
Исследователи также отмечают, что предложенные инструменты позволяют моделировать обратную временную динамику открытых квантовых систем. При определённых 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.
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.
Исследование в журнале Physical Review X.