Fysikere vender tiden om ved hjælp af kvantecomputer

Forskere fra Moskva Institut for Fysik og Teknologi slog sig sammen med kolleger fra USA og Schweiz og returnerede tilstanden af ​​en kvantecomputer en brøkdel af et sekund tilbage i fortiden. De beregnede også sandsynligheden for, at en elektron i det tomme interstellare rum spontant vil rejse tilbage til sin nyere fortid. Undersøgelsen er publiceret i Videnskabelige rapporter .

"Dette er en i rækken af ​​artikler om muligheden for at overtræde termodynamikkens anden lov. Den lov er tæt forbundet med forestillingen om tidens pil, der angiver tidens ensrettede retning fra fortiden til fremtiden, " sagde undersøgelsens hovedforfatter Gordey Lesovik, der leder Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology ved MIPT.

"Vi begyndte med at beskrive en såkaldt lokal evighedsmaskine af den anden slags. Derefter, i december, vi udgav et papir, der diskuterer overtrædelsen af ​​den anden lov via en enhed kaldet en Maxwells dæmon, " sagde Lesovik. "Det seneste papir nærmer sig det samme problem fra en tredje vinkel:Vi har kunstigt skabt en tilstand, der udvikler sig i en retning modsat den af ​​tidens termodynamiske pil."

Hvad gør fremtiden anderledes end fortiden

De fleste fysiklove skelner ikke mellem fremtiden og fortiden. For eksempel, lad en ligning beskrive sammenstødet og tilbagespringet af to identiske billardkugler. Hvis et nærbillede af begivenheden optages med et kamera og afspilles baglæns, det kan stadig repræsenteres af den samme ligning. I øvrigt, det er ikke muligt at skelne fra optagelsen, om den er blevet behandlet. Begge versioner ser plausible ud. Det ser ud til, at billardkuglerne trodser den intuitive tidsfornemmelse.

Imidlertid, forestil dig at optage en stødbold, der bryder pyramiden, billardkuglerne spredes i alle retninger. I det tilfælde, det er nemt at skelne det virkelige scenarie fra omvendt afspilning. Det, der får sidstnævnte til at se så absurd ud, er vores intuitive forståelse af termodynamikkens anden lov – et isoleret system forbliver enten statisk eller udvikler sig mod en tilstand af kaos snarere end orden.

De fleste andre fysiklove forhindrer ikke rullende billardkugler i at samle sig til en pyramide, infunderet te flyder tilbage i teposen, eller en vulkan fra "udbrud" omvendt. Men disse fænomener observeres ikke, fordi de ville kræve et isoleret system for at antage en mere ordnet tilstand uden nogen udefrakommende indgriben, som er i strid med den anden lov. Arten af ​​denne lov er ikke blevet forklaret i detaljer, men forskere har gjort store fremskridt med at forstå de grundlæggende principper bag det.

Spontan tidsvending

Kvantefysikere fra MIPT besluttede at tjekke, om tiden spontant kunne vende sig selv i det mindste for en individuel partikel og for en lille brøkdel af et sekund. Det er, i stedet for at støde billardkugler, de undersøgte en solitær elektron i det tomme interstellare rum.

"Antag, at elektronen er lokaliseret, når vi begynder at observere den. Det betyder, at vi er ret sikre på dens position i rummet. Kvantemekanikkens love forhindrer os i at kende den med absolut præcision, men vi kan skitsere et lille område, hvor elektronen er lokaliseret, " siger studiemedforfatter Andrey Lebedev fra MIPT og ETH Zürich.

Fysikeren forklarer, at udviklingen af ​​elektrontilstanden er styret af Schrödingers ligning. Selvom den ikke skelner mellem fremtid og fortid, det område af rummet, der indeholder elektronen, vil sprede sig meget hurtigt. Det er, systemet har en tendens til at blive mere kaotisk. Usikkerheden om elektronens position vokser. Dette er analogt med den stigende uorden i et system i stor skala - såsom et billardbord - på grund af termodynamikkens anden lov.

"Imidlertid, Schrödingers ligning er reversibel, " tilføjer Valerii Vinokur, en medforfatter af papiret, fra Argonne National Laboratory, U.S. "Matematisk, det betyder, at under en bestemt transformation kaldet kompleks konjugation, ligningen vil beskrive en 'udtværet' elektron, der lokaliserer sig tilbage i et lille område af rummet over samme tidsperiode." Selvom dette fænomen ikke er observeret i naturen, det kunne teoretisk set ske på grund af en tilfældig udsving i den kosmiske mikrobølgebaggrund, der gennemsyrer universet.

Holdet satte sig for at beregne sandsynligheden for at observere en elektron "smurt ud" over en brøkdel af et sekund, der spontant lokaliseres ind i dens nyere fortid. Det viste sig, at selv over hele universets levetid - 13,7 milliarder år - observerede 10 milliarder frisk lokaliserede elektroner hvert sekund, den omvendte udvikling af partiklens tilstand ville kun ske én gang. Og selv da, elektronen ville rejse ikke mere end blot en ti-milliard af et sekund ind i fortiden.

Storstilede fænomener, der involverer billardkugler og vulkaner, udfolder sig naturligvis på meget længere tidsskalaer og har et forbløffende antal elektroner og andre partikler. Dette forklarer, hvorfor vi ikke observerer, at gamle mennesker bliver yngre, eller at en blækklat skiller sig fra papiret.

Vendetid efter behov

Forskerne forsøgte derefter at vende tiden i et fire-trins eksperiment. I stedet for en elektron, de observerede tilstanden af ​​en kvantecomputer lavet af to og senere tre grundelementer kaldet superledende qubits.

• Trin 1:Bestilling. Hver qubit initialiseres i grundtilstanden, angivet som nul. Denne højt ordnede konfiguration svarer til en elektron lokaliseret i et lille område, eller et stativ med billardkugler inden pausen.
• Fase 2:Nedbrydning. Ordren er tabt. Ligesom elektronen er smurt ud over et stadig større område af rummet, eller stativet er gået i stykker på poolbordet, tilstanden af ​​qubits bliver et stadig mere komplekst skiftende mønster af nuller og ettaller. Dette opnås ved kort at lancere evolution-programmet på kvantecomputeren. Rent faktisk, en lignende nedbrydning ville opstå af sig selv på grund af interaktioner med miljøet. Imidlertid, det kontrollerede program for autonom evolution vil muliggøre den sidste fase af eksperimentet.
• Trin 3:Tidsskift. Et specielt program modificerer kvantecomputerens tilstand på en sådan måde, at den derefter vil udvikle sig "baglæns, " fra kaos mod orden. Denne operation er beslægtet med den tilfældige mikrobølgebaggrundsfluktuation i tilfælde af elektronen, men denne gang, det er bevidst induceret. En åbenlyst langt ude analogi til billardeksemplet ville være nogen, der giver bordet et perfekt beregnet spark.
• Trin 4:Regenerering. Udviklingsprogrammet fra anden fase lanceres igen. Forudsat at "sparket" er blevet leveret med succes, programmet resulterer ikke i mere kaos, men spoler snarere tilstanden af ​​qubits tilbage til fortiden, den måde, hvorpå en udtværet elektron ville blive lokaliseret, eller billardkuglerne ville følge deres baner i omvendt afspilning, til sidst danner en trekant.

Forskerne fandt ud af, at i 85 procent af tilfældene, to-qubit kvantecomputeren vendte tilbage til den oprindelige tilstand. Da tre qubits var involveret, der skete flere fejl, hvilket resulterer i en succesrate på omkring 50 procent. Ifølge forfatterne, disse fejl skyldes ufuldkommenheder i den faktiske kvantecomputer. Efterhånden som mere sofistikerede enheder er designet, fejlprocenten forventes at falde.

Interessant nok, selve tidsvendingsalgoritmen kunne vise sig nyttig til at gøre kvantecomputere mere præcise. "Vores algoritme kunne opdateres og bruges til at teste programmer skrevet til kvantecomputere og eliminere støj og fejl, " forklarede Lebedev.