Время идет в одном направлении: вперед. Маленькие мальчики становятся стариками, но не наоборот; чашки разбиваются, но никогда не собираются спонтанно. Это жестокое и неизменное свойство вселенной, называемое «стрелой времени», является фундаментальным следствием второго закона термодинамики, который требует, чтобы системы всегда имели тенденцию становиться более беспорядочными со временем. Но недавно исследователи из США и России чуть-чуть согнули эту стрелу - по крайней мере, для субатомных частиц.
В новом исследовании, опубликованном во вторник (12 марта) в журнале Scientific Reports, исследователи манипулировали стрелой времени, используя очень маленький квантовый компьютер, состоящий из двух квантовых частиц, известных как кубиты, которые выполняли вычисления.
В субатомном масштабе, где господствуют нечетные правила квантовой механики, физики описывают состояние систем с помощью математической конструкции, называемой волновой функцией. Эта функция является выражением всех возможных состояний, в которых может находиться система - даже, в случае частицы, всех возможных положений, в которых она может находиться, - и вероятность того, что система находится в каком-либо из этих состояний в любой момент времени. , Как правило, с течением времени волновые функции распространяются; Возможное местоположение частицы может быть дальше, если вы будете ждать час, чем если вы будете ждать 5 минут.
Отмена распространения волновой функции - это все равно что пытаться положить пролитое молоко обратно в бутылку. Но это именно то, что исследователи достигли в этом новом эксперименте.
«В принципе нет никаких шансов на то, что это произойдет само по себе», - сказал в прямом эфире ведущий исследователь Валерий Винокур, физик из Аргоннской национальной лаборатории в Иллинойсе. «Это все равно, что сказать, что если ты дашь обезьяне машинку и много времени, он может написать Шекспира». Другими словами, это технически возможно, но так маловероятно, что это может быть невозможно.
Как ученые сделали невозможное невозможным? Тщательно контролируя эксперимент.
«Вам действительно нужно много контроля, чтобы собрать все разбитые кусочки чайной чашки», - сказал Стивен Бартлетт, профессор физики в Сиднейском университете, в интервью журналу Live Science. Бартлетт не участвовал в исследовании. «Вы должны иметь большой контроль над системой, чтобы заставить это делать это ... и квантовый компьютер - это то, что позволяет нам иметь огромный контроль над моделируемой квантовой системой».
Исследователи использовали квантовый компьютер для моделирования отдельной частицы, волновая функция которой распространялась во времени как пульсация в пруду. Затем они написали алгоритм в квантовом компьютере, который обратил вспять временную эволюцию каждого компонента волновой функции, по сути, оттягивая эту пульсацию обратно в частицу, которая ее создала. Они совершили этот подвиг без увеличения энтропии или беспорядка в других местах вселенной, казалось бы, бросая вызов стреле времени
Значит ли это, что исследователи создали машину времени? Они нарушали законы физики? Ответ нет на оба эти вопроса. Второй закон термодинамики гласит, что порядок Вселенной должен уменьшаться со временем, но не то, что он не может оставаться неизменным в очень особых случаях. И этот эксперимент был достаточно маленьким, достаточно коротким и достаточно контролируемым, чтобы вселенная не получала и не теряла энергию.
«Очень сложно и сложно отправлять волны обратно в пруд», как только они были созданы, сказал Винокур, «но мы увидели, что это возможно в квантовом мире, в очень простом случае». Другими словами, это было возможно, когда они использовали управление, данное им квантовым компьютером, чтобы отменить эффект времени.
После запуска программы система возвращалась в исходное состояние в 85 процентах случаев. Однако, когда был введен третий кубит, эксперимент удался только в 50% случаев. По словам исследователей, сложность системы, вероятно, слишком сильно возросла с третьим кубитом, что усложняет квантовому компьютеру контроль над всеми аспектами системы. Без этого контроля энтропия не может сдерживаться, и поэтому изменение времени несовершенно. Тем не менее, они стремятся к большим системам и большим квантовым компьютерам для своих следующих шагов, сказал Винокур в интервью Live Science.
«Работа является хорошим вкладом в основы физики», - сказал в интервью Live Science Джеймс Уитфилд, профессор физики в Дартмутском колледже в Нью-Гемпшире, который не принимал участия в исследовании. «Это напоминает нам, что не все приложения квантовых вычислений должны быть ориентированы на приложения, чтобы быть интересными».
«Именно поэтому мы строим квантовые компьютеры», - сказал Бартлетт. «Это демонстрация того, что квантовые компьютеры могут позволить нам моделировать вещи, которые не должны происходить в реальном мире».
