Termisk kaos returnerer kvantesystemet til dets ukendte fortid

Bygger på sidste års banebrydende 'tidsvending'-eksperiment, to forskere fra Moscow Institute of Physics and Technology og Argonne National Laboratory har offentliggjort en ny teoretisk undersøgelse i Kommunikationsfysik . Mens deres tidligere papir handlede om en foruddefineret kvantetilstand, denne gang har fysikerne udtænkt en måde at tid-vende udviklingen af ​​et objekt i en vilkårlig, ukendt tilstand.

En dag kunne en forbedret vendingsplan gøre os i stand til at bekræfte den korrekte funktion af en kvantecomputer, der er så kraftfuld, at den ellers ville kræve en endnu større computer end ham selv for at kontrollere, besejre formålet.

Kaos hersker over tid

Der er en vis naturlig måde, hvorpå en kvantechips tilstand udvikler sig, hvis den overlades til dens egen enhed:fra orden til kaos. Dette er sandt om andre ting, også:Med tiden, vores kroppe bliver ældre, menneskeskabte strukturer forringes, og mens en isterning på middagsbordet altid smelter, en anden isterning vil bestemt ikke dukke op i et glas lige ud af det blå - selvom det måske afhænger af, hvad man har drukket.

Gennem hverdagserfaring tilegner vi os en fornemmelse af tid baseret på skelnen mellem de generelt mere ordnede tidligere tilstande og de typisk mere kaotiske fremtidstilstande i lukkede systemer - dem som et glas vand med en isterning, hvor smeltning er en envejsproces. Fysikere omtaler dette som tidsmæssig asymmetri, eller tidens pil. Det stammer fra tendensen til uorden, formelt udtrykt ved termodynamikkens anden lov.

"Et af vores gennembrud, siger en af ​​forfatterne, Argonnes Valerii Vinokur, "er erkendelsen - som vi anvender i praksis - at en kvantecomputer er et stykke af den virkelige fysiske verden, men giver mulighed for en hidtil uset kontrol over dens udvikling i tide."

Stavebog med algoritmer

Hvad mange journalister hyldede som en 'tidsmaskine' sidste år, var fysikernes eksperiment, der kortvarigt vendte tidens pil om for en kvantecomputer. Det er, eksperimentet fandt sted i computeren, i første omgang i ordnet tilstand, udvikler sig mod større kaos i en kort periode. Efter det, holdet brugte sin tidsomstillingsalgoritme til at ændre computerens tilstand på en sådan måde, at den begyndte at spore tilbage, hvad end den havde gjort tidligere, udvikler sig effektivt i omvendt afspilning, indtil den antog den oprindelige ordnede tilstand.

Fangsten var, at man skulle kende computerens tilstand i det øjeblik, hvor tidsvendingsalgoritmen startede, fordi det ikke var universelt. "Selv det føltes som magi, men den omarbejdede procedure er en helt anden slags ånd, hvis du tillader analogien, " Vinokur kommenterede. "Sig, at du ønskede at genoprette Parthenon til sin oprindelige pragt. Den gamle ånd ville gå, 'Godt, Jeg kan gøre det, men du er nødt til at give mig nogle oplysninger. Jeg vil have en perfekt detaljeret plan over ruinerne, som de er nu.' Du ser, den ånd havde ingen universel besværgelse til at skrue tiden tilbage. I stedet, han havde en stor bog med besværgelser, som I skulle bladre igennem sammen for at finde den rigtige. Meget kedelig fyr. "

Rent praktisk set, problemet med at skulle vide, hvilken tilstand du vender om, er behovet for at optage det. Dette var egentlig ikke et problem for den lille computer, der består af to eller tre kvantebits, som blev brugt i sidste års undersøgelse. Men opskalering af eksperimentet øger hukommelseskravene virkelig hurtigt:Hver ekstra qubit fordobler den nødvendige mængde hukommelse.

For at løse dette, forskerne fandt på en universel algoritme, så nu har de et åndsdyr at bestille rundt, som er fleksibelt nok til at tilpasse sig ethvert scenarie. Uanset hvordan et kvantesystem er blevet forringet, han kan lave sit magiske trick og spole det tilbage til sin 'ordnede' fortid. Ganske vist, han vil bede om tonsvis af marmor og brænde den med helvedes ild, men det er aldrig nemt med ånd. Måske er denne en afreet.

Tryllekunstnerens scenerekvisitter

Her er et tankeeksperiment til at guide dig gennem processen. Forestil dig, at du tog en masse vandmolekyler og brugte dem til at lave et meget unikt udseende snefnug i en perfekt lufttæt kasse. Kun du kender snefnugets form. Du lader æsken stå ved stuetemperatur i nogen tid, og dette ødelægger snefnuget i det. Med den nye tidsvendende algoritme - og nogle smarte termiske manipulationer - hævder forskerne, at de kunne genoprette dit snefnug til sin oprindelige form. Her er hvordan.

Som trylletricks går, fysikerne begynder med at komplicere tingene lidt med scenerekvisitter:De skal bruge en identisk æske med det samme antal vandmolekyler i – husk tonsvis af marmor. Vandet kan være i flydende eller gasformig tilstand, det er uden betydning. Du skal bare garantere, at de to kasser indeholder de samme ting i samme mængde. Hold nu øje med det håndelag, der følger.

Når en dobbeltboks – også kendt som hjælpesystemet – er tilgængelig, proceduren omfatter fire trin.

Trin 1: Termalisering . Bring tvillingeboksen til en meget høj temperatur ved at sætte den i kontakt med en meget varm krop, kaldet et varmereservoir.

Trin 2: Adskillelse . Frakobl varmebeholderen.

Trin 3: Manipulation . Kør en såkaldt ikke-fuldstændig quantum SWAP-operation mellem tvillingboksen og den originale.

Trin 4: Gentagelse . Gentag trin 1 til 3 et ugudeligt antal gange.

Denne sekvens fremkalder en tidsomvendt tilstand af den originale æske med det ødelagte snefnug, hvilket betyder, at den straks vil begynde at spore sin seneste fortid tilbage, indtil den antager den oprindelige tilstand, fryser tilbage til præcis den samme form, du havde til hensigt. Voila!

Papiret i Kommunikationsfysik giver en formel for, hvor mange gange ovenstående cyklus skal gentages for at vende et givet systems tilstand med hensyn til tid. Det er, at skubbe det på præcis den rigtige måde for at sikre en tilbagegående udvikling fra den nuværende tilstand mod tidligere stater. Kort sagt, antallet er enormt, og det vokser hurtigt med systemets kompleksitet og med hvor langt tilbage i tiden det skal gå.

Pimp min qubit

Indrømmet, at Parthenon nok må vente, men holdet er optimistisk med hensyn til et muligt eksperiment, der kortvarigt vil vende en simpel computer bestående af et lille antal kvantebits. Med to qubits, for eksempel, det ville tage mindst 16 cyklusgentagelser, med tre er det 64, og så videre.

Et sådant eksperiment er muligt med nutidens teknologi, men problemet er, at de offentligt tilgængelige maskiner – såsom IBM-kvantecomputeren brugt i sidste års undersøgelse – ikke understøtter termalisering, hvilket er det første trin i cyklussen. Kom til at tænke på det, At forvente, at fællesfaciliteter har specielle funktioner af denne art, er som at bede din lokale delebilstjeneste om en springende lowrider. Så denne gang venter et vendingseksperiment på et hold, der er villige til at 'pimpe' sin egen kvantecomputer op, tilpasset den med et stort dårligt varmereservoir.

Mens kvantemekanikken som sådan er notorisk kontraintuitiv, der er et aspekt af den nye tidsvendende algoritme, der får selv fysikere til at klø sig i hovedet. "Generelt, jo varmere et system, jo mere uorganiseret det bliver. Så hvis du tænker over det, det, vi gør, er at bruge et værktøj, der er forbundet med fuldstændig kaos – varmereservoiret – for at skabe orden, " Andrey Lebedev forklarede. "Vi udsætter gentagne gange hjælpesystemet for en ekstrem høj temperatur med det ultimative mål at observere det primære systems kolde og ordnede fortid. Det er et paradoks, vi endnu ikke har fået styr på."

Sådan tester du en, der er klogere end dig selv

Universelle tidsvendende algoritmer kan blive brugt i fremtiden til at verificere, at en kvantecomputer fungerer korrekt, og kvantemæssig fordel er opnået. Tingen er, når en kvantecomputer er meget kraftigere end andre computere, hvordan bekræfter du, at den ikke er tilbøjelig til fejl uden en sammenlignelig fejlsikker enhed?

Når en 52-qubit-maskine kører en avanceret kvantealgoritme, det vil udsende en enormt kompleks kvantetilstand. Den konventionelle måde at sikre, at der ikke er begået fejl, vil kræve en fuldstændig beskrivelse af sluttilstanden. Imidlertid, det ville være uden for menneskehedens magt.

Det er her, universelle tidsvendende algoritmer kommer ind. Hvis du kan køre beregningen omvendt og ikke er ligeglad med sluttilstanden, spoler du tilbage, ' så er der ingen grund til at beskrive det. Du skal bare sørge for at komme tilbage til præcis, hvor du startede.

Så når kvantecomputere begynder at skrue op for videnskabelige opdagelser, tidsvending vil være nyttig for at bekræfte, at det er gyldige konklusioner om verden snarere end en kvantefejl af episke proportioner.