Ученые впервые смогли обратить ее направление вспять, в условное «прошлое» микроскопической системы
Исследователи из МФТИ совместно с коллегами из США смогли вернуть квантовый компьютер вспять по стреле времени, термодинамически «развернув» время вспять. Помимо этого, они вычислили, с какой вероятностью электрон в межзвездном пространстве может самопроизвольно отправиться в свое недавнее прошлое.
Второе начало термодинамики показывает, что энтропия в замкнутой системе со временем не убывает. Поэтому, например, теплота не может переходить от более холодного тела к более теплому, но лишь наоборот.
Поэтому, хотя законы физики в большинстве своем не делают различия между прошлым и будущим, по сути все процессы в макромире развиваются только по «стреле времени». Бильярдный шар разбивает пирамиду бильярдных шаров, но пирамида не может собраться обратно самостоятельно, чайник охлаждается в холодной комнате, но не нагревается в холодной и так далее. Иными словами, любая закрытая система (без притока энергии извне) либо сохраняет свое состояние, либо самопроизвольно движется в сторону хаоса, но не порядка. Причем второе бывает куда чаще первого.
Физики решили проверить, возможно ли, что время само собой обернется вспять хотя бы для отдельно взятой частицы и хотя бы на долю секунды. Сначала они провели умственный эксперимент (расчетно) с одиночным электроном в пустом межзвездном пространстве. Вначале его местоположение будет «локализовано», определена небольшая область пространства, где он может находиться. Однако по второму началу термодинамики участок пространства, в котором локализован электрон, уже через доли секунды «расползется» в стороны, и со временем мы будем знать о конкретном местонахождении электрона все меньше и меньше. Это аналогично тому, как увеличивается энтропия большой системы, которую описывает второе начало термодинамики.
В своей статье, опубликованной в Scientific Reports, исследователи сосредоточились на обратном процессе, когда электрон, «размазавшийся» за малую долю секунды, затем самопроизвольно локализуется в более малом объеме пространства. Они вычислили вероятность, с которой, по уравнению Шрёдингера, протекает этот процесс. Оказалось, что если ежесекундно наблюдать по 10 миллиардов только что локализованных электронов в пустом пространстве, увидеть такой разворот стрелы времени удастся всего один раз за 13,7 миллиардов лет попыток. При этом «глубина» такого «путешествия во времени» не превысит одну десятимиллиардную секунды. Вероятность наблюдать такое событие на примере одного электрона очень мала. А поскольку в телах макромира очень много частиц, то эта вероятность становится еще меньше.
Затем ученые попытались обратить время вспять в эксперименте. Вместо электрона они наблюдали состояние квантового компьютера сначала из двух, а затем из трех сверхпроводящих кубитов.
Сперва все кубиты перевели в состояние «0», основное. В этот момент все электроны в нем локализованы в небольшом участке пространства. Их можно сравнить с бильярдными шарами, которые выстроены в пирамиду. Потом наступает стадия деградации системы. Подобно тому, как электрон «расплывается» в пространстве, а пирамида разбивается от удара, состояние кубитов начинает причудливым образом усложняться. Для этого на короткое время запускается компьютерная программа эволюции состояния кубитов. Подобная деградация произошла бы и сама из-за взаимодействия с окружением, ведь система стремится к хаосу. Но контролируемый характер программы автономной эволюции системы сделает возможной последнюю стадию эксперимента.
Затем стрела времени обращается вспять. Специальная программа преобразует состояние квантового компьютера так, чтобы в дальнейшем оно развивалось наоборот, от хаоса к порядку. Эта операция аналогична случайной флуктуации поля в случае с электроном, только теперь в квантовом компьютере авторы работы запустили ее умышленно. Опять проведем аналогию с бильярдной пирамидой: представим, что кто-то потряс стол с бесконечно точным расчетом, так, чтобы собрать разъехавшиеся шары в одну пирамиду вновь.
В конце концов, на стадии регенерации физики повторно запустили ту же программу эволюции, из-за которой хаос нарастал. И система кубитов начинает отматываться назад, в прошлое, как если бы размытый электрон вновь «собрался» в в малый объем, а шары, пройдя по своим траекториям из прошлого задом наперед, сложились в пирамиду.
Ученые установили, что в 85 процентах случаев после преобразования компьютер из двух квантовых битов действительно возвращался обратно в исходное состояние. В случае с тремя кубитами — всего в половине случаев. Однако, по словам авторов, это объясняется его несовершенством. С развитием техники ошибка будет уменьшаться. Более того, сам алгоритм обращения времени тоже может в будущем сделать квантовый компьютер точнее.
Не менее важно и то, что впервые ученые показали саму возможность обратить стрелу времени назад не случайным образом, но в силу заранее запрограммированных процессов. С более совершенными квантовыми компьютерами, возможно, в вопросе «загибания» стрелы времени удастся зайти значительно дальше.