Tidsreversering af en ukendt kvantetilstand

Fysikere har længe søgt at forstå den omgivende verdens irreversibilitet og har krediteret dens fremkomst til den tidssymmetriske, fysikkens grundlæggende love. Ifølge kvantemekanikken, den endelige irreversibilitet af begrebsmæssig tidsvending kræver ekstremt indviklede og usandsynlige scenarier, der næppe vil opstå spontant i naturen. Fysikere havde tidligere vist, at mens tidsreversibilitet er eksponentielt usandsynlig i et naturligt miljø - er det muligt at designe en algoritme til kunstigt at vende en tidspil til en kendt eller given tilstand i en IBM kvantecomputer. Imidlertid, denne version af den omvendte pil-af-tid omfavnede kun en kendt kvantetilstand og sammenlignes derfor med kvanteversionen af ​​at trykke tilbage på en video for at "vende tidens flow."

I en ny rapport nu offentliggjort i Kommunikationsfysik , Fysikerne A.V. Lebedev og V.M. Vinokur og kollegaer inden for materialer, fysik og avanceret teknik i USA og Rusland, bygget på deres tidligere arbejde med at udvikle en teknisk metode til at vende den tidsmæssige udvikling af en vilkårlig ukendt kvantetilstand. Det tekniske arbejde vil åbne nye ruter for generelle universelle algoritmer til at sende den tidsmæssige udvikling af et vilkårligt system tilbage i tiden. Dette arbejde skitserede kun den matematiske proces med tidsvending uden eksperimentelle implementeringer.

Tidens pil og udvikling af en protokol for vending af tid

Tidens pil stammer fra at udtrykke tidens retning i en enkelt rute i forhold til termodynamikkens anden lov, hvilket indebærer, at entropivækst stammer fra energispredning af systemet til miljøet. Forskere kan derfor overveje energispredning i forhold til systemets sammenfiltring med miljøet. Tidligere forskning fokuserede udelukkende på tidspilens kvantesynspunkt og på at forstå virkningerne af Landau-Neumann-Wigner-hypotesen for at kvantificere kompleksiteten i at vende pilen til tiden på en IBM-kvantecomputer. I nærværende arbejde, forskerne foreslår at bruge et termodynamisk reservoir ved begrænsede temperaturer til at danne et højentropi stokastisk bad for at termalisere et givet kvantesystem og eksperimentelt øge termisk forstyrrelse eller entropi i systemet. Imidlertid, eksperimentelt, IBM-computere understøtter ikke termalisering, som udgør det første trin i den nuværende foreslåede cyklus.

I teorien, tilstedeværelsen af ​​det termiske reservoir gjorde det uventet muligt at forberede højtemperatur-termiske tilstande af et hjælpekvantesystem (alternativt) andetsteds, styret af den samme Hamiltonianer (en operator svarende til summen af ​​kinetisk energi og potentielle energier for alle partikler i systemet). Dette gjorde det muligt for Lebedev og Vinokur matematisk at udtænke en operatør for tilbage-tids-evolution for at vende den kronologiske dynamik i et givet kvantesystem.

Universel procedure og hjælpesystemet

Holdet definerede den universelle tidsvendende proces af en ukendt kvantetilstand ved hjælp af densitetsmatrixen af ​​et kvantesystem (en blandet tilstand); at beskrive vending af det tidsmæssige systems udvikling for at vende tilbage til sin oprindelige tilstand. Kvantetilstanden af ​​det nye system kan forblive ukendt, mens pilen til tidsvending implementeres. I modsætning til den tidligere protokol om tidsomvendelse af en kendt kvantetilstand, den oprindelige tilstand behøvede heller ikke at være af en rent ukorreleret tilstand og kunne forblive i en blandet tilstand og korrelere med tidligere interaktioner med miljøet. Teamet bemærkede reduceret tid-vendingskompleksitet for en blandet høj entropistilstand i systemet.

Lebedev et al. trak på tilbageføringsproceduren, der tidligere var beskrevet af S. Lloyd, Mohseni og Rebentrost (LMR-procedure) til at konstruere eller kortlægge den initiale tæthedsmatrix. LMR-proceduren betragtede det kombinerede arrangement af det pågældende system og et supplement for at opnå reversibel beregning. Det eksperimentelle system vil blive udstyret med et termodynamisk bad for at termalisere ancillaen og give den ønskede tilstand for omvendt udvikling. Jo varmere systemet er, jo mere kaotisk ville det blive. Ved at bruge et varmereservoir til at udsætte hjælpesystemet for en ekstrem høj temperatur, Lebedev et al. sigter paradoksalt nok på eksperimentelt at observere det primære systems kolde og ordnede fortid ved hjælp af LMR-formlen. Forfatterne begrunder, at en universel tidsomvendelsesalgoritme kan køre en beregning i omvendt, uden en bestemt kvantetilstand at spole tilbage til, så længe algoritmen letter tidens tilbageførsel til dens udgangspunkt.

Beregningsmæssig kompleksitet af proceduren for tilbageførsel af tid

Arbejdet skitserede kun den matematiske analyse af tidsvending uden at specificere eksperimentelle implementeringer. Mens du træner tidsvending, det foreslåede system fortsatte med at opretholde den fremadrettede udvikling styret af sin egen Hamiltonian. Den beregningsmæssige kompleksitet af tidsvending for en ukendt kvantetilstand var proportional med kvadratet af systemets Hilbert-rumdimension (et abstrakt vektorrum). For at opnå dette i praksis, det eksperimentelle system vil kræve et naturligt system, der udvikler sig under en ukendt Hamiltonianer sideløbende med termalisering, som kvantecomputere ikke understøtter, parret med universelle kvanteporte for at opnå tidsvending. Som resultat, praktisk implementering af dette arbejde vil kræve en opgradering til eksisterende kvantecomputere for at opfylde de skitserede krav.

En rute til at opgradere det eksisterende design af kvantechips

Lebedev et al. sigter derfor på at opgradere det eksisterende design af kvantechips for at opnå et sæt interagerende qubits (kvantebits), der kan termalisere on-demand i et højtemperaturmiljø. For at opnå dette, superledende qubits kan kobles med en transmissionsledning, hvor højtemperatur termisk stråling vil blive tilført for at sætte qubits til en højtemperaturtilstand. Derefter, de vil kræve et andet sæt qubits, der kan lagre en kvantetilstand svarende til det originale sæt af qubits. Når det originale sæt qubits derefter eksperimentelt termaliseres for at implementere den fælles LMR-evolution, efterfølgende qubits vil være i stand til at gennemgå tidsomvendt dynamik under den samme Hamiltonian for at nå den oprindelige tilstand. Hvis det implementeres nøjagtigt, den foreslåede mekanisme vil også lette fejlkorrektion af en opgraderet kvantecomputer for at bekræfte dens korrekte funktion. Lebedev et al. forestille sig at implementere proceduren på emergent computere med on-demand termaliserede qubits.

På denne måde Lebedev og Vinokur demonstrerede proceduren for tilbageførsel af en ukendt blandet kvantetilstand. Processen er afhængig af at udføre LMR-protokollen og eksistensen af ​​et hjælpesystem, hvis dynamik kan styres af den samme Hamiltonianer som Hamiltonianeren i det omvendte system. For at gennemføre tilbageføringsproceduren skal LMR -protokollen anvendes sekventielt på systemets og tilhørende fælles tilstand, forberedt i termisk tilstand. Arbejdet udviklede en formel til at fremhæve antallet af cyklusser, der skal gentages for at vende tilstanden af ​​et givet system mod tidligere tilstande i fortiden. Dette tal afhænger af systemets kompleksitet og hvor langt tilbage i tiden det skal gå. Når du implementerer protokollen for vending af tid, operationshastigheden af ​​LMR-proceduren skal være tilstrækkelig høj, at overskride den fremadrettede tidsudvikling af det omvendte system.

© 2020 Science X Network