Mokslininkai iš Maskvos fizikos ir technologijų instituto ir jų kolegos iš Amerikos bei Šveicarijos per kelias sekundes į praeitį grąžino kvantinio kompiuterio būseną. Jie taip pat apskaičiavo tikimybę, kad elektronas tuščioje tarpžvaigždinėje erdvėje gali spontaniškai grįžti į savo netolimą praeitį.
Darbas buvo paskelbtas mokslinėse ataskaitose.
„Tai vienas iš darbų serijos, skirtos galimybei pažeisti antrąjį termodinamikos dėsnį - fizikos dėsnį, glaudžiai susijusį su laiko rodyklės sąvoka, skirtumu tarp praeities ir ateities“, - sako pagrindinis knygos autorius. tyrimas Gordey Lesovik, Maskvos fizikos ir technologijų instituto kvantinių informacinių technologijų fizikos laboratorijos vadovas.
- Pirma, mes aprašėme vietinį antrojo tipo amžinąjį judesio aparatą. Gruodį pasirodė mūsų darbas, kuriame antrąjį principą vietoje pažeidžia specialus prietaisas - Maksvelo demonas.
O dabar priėjome prie problemos iš trečiosios pusės - dirbtinai sukūrėme tokią sistemos būseną, kuri pati vystosi priešinga kryptimi antrojo pradžios požiūriu “.
Iš kur ateina laikas?
Fizikos dėsniai dažniausiai neskiria praeities ir ateities. Pavyzdžiui, viena lygtis gali apibūdinti dviejų tos pačios spalvos biliardo kamuoliukų susidūrimą ir atšokimą. Jei įrašote šį procesą vaizdo įraše ir atkuriate jį atgal, tada be papildomų užuominų nėra aišku, kuri versija yra „tikra“: iš praeities į ateitį ar iš ateities į praeitį.
Lygtis aprašo abi situacijas vienu metu. Praeities į ateitį versija neturi prioriteto. Tačiau, jei nufilmuojate vaizdo įraše, kaip vienas biliardo kamuolys sulaužo piramidę, o tada atkuriate įrašą, tada net žmogus, pirmą kartą pamatęs šį žaidimą, galės atskirti tikrą scenarijų nuo fantastiško.
Šiuo atveju stebėtojas intuityviai remiasi antruoju termodinamikos dėsniu. Jame sakoma, kad jei tam tikra sistema neturi energijos antplūdžio iš išorės, ji arba išlaiko savo būseną, arba spontaniškai juda chaoso, bet ne tvarkos link.
Dauguma kitų fizikos įstatymų nedraudžia ridenti rutulius į piramidę, arbatą, ištirpintą stiklinėje, surinkti į maišelį ir atgal išsiveržiantį ugnikalnį. Tačiau mes nestebime visų šių procesų, nes jie reikalautų, kad izoliuota sistema turėtų spontaniškai įsikurti, o tai prieštarauja antrajam termodinamikos įstatymui.
Antrojo principo prigimtis nėra iki galo išaiškinta, tačiau mokslininkai padarė didelę pažangą suprasdami pagrindinius principus.
Laikas gali atsigręžti savaime
Kvantiniai fizikai iš Maskvos fizikos ir technologijų instituto nusprendė patikrinti, ar įmanoma, kad laikas pasuks savaime, bent vienai dalelei ir bent sekundės daliai. Vietoj biliardo kamuolių jie žiūrėjo į vieną elektroną tuščioje tarpžvaigždinėje erdvėje.
„Tarkime, pradiniu stebėjimo momentu elektronas yra lokalizuotas. Tai reiškia, kad mes beveik neabejotinai žinome, kur jis yra. Pagal kvantinės mechanikos dėsnius nebus įmanoma išsiaiškinti konkretaus taško, tačiau galite nubrėžti nedidelę erdvės erdvę, kurioje yra lokalizuotas elektronas “,-sako tyrimo bendraautorius Andrejus Lebedevas iš Maskvos. Fizikos ir technologijų institutas ir Ciuricho federalinė aukštoji technikos mokykla.
Kaip aiškina fizikas, tolesnę elektrono evoliuciją apibūdina Schrödingerio lygtis. Ši lygtis neskiria praeities ir ateities, tačiau erdvės sritis, kurioje lokalizuojasi elektronas, „paslys“per sekundės dalį. Sistema linkusi į chaosą - laikui bėgant mes mažiau žinome apie elektrono vietą.
Neapibrėžtumas auga. Šis atskiros dalelės būsenos elgesys yra analogiškas didelės sistemos entropijos padidėjimui, aprašytam antruoju termodinamikos dėsniu. „Tačiau Schrödingerio lygtis yra grįžtama“,-sako bendraautorius Valerijus Vinokuras iš JAV Argonne nacionalinės laboratorijos.
„Matematiniu požiūriu tai reiškia, kad jei jūs jį paversite tam tikra transformacija (sudėtinga konjugacija), gautoje lygtyje bus aprašyta, kaip„ suteptas “elektronas yra lokalizuotas per tą patį laiką, kurio prireikė„ išlipti “. “."
Nors toks reiškinys gamtoje nepastebimas, teoriškai jis gali atsirasti dėl atsitiktinių relikvinės spinduliuotės svyravimų, kurie prasiskverbia net į tuščią tarpžvaigždinę erdvę.
Autoriai apskaičiavo tikimybę stebėti, kaip elektronas, „suteptas“per mažą sekundės dalį, tada spontaniškai lokalizuojasi. Paaiškėjo, kad net jei kiekvieną sekundę surasite ir savo ruožtu pastebėsite 10 milijardų „šviežiai lokalizuotų“elektronų, kabančių tuščioje erdvėje, tada viso Visatos gyvenimo (13,7 milijardo metų) pakaks, kad pamatytumėte atvirkštinę būsenos raidą. elektroną tik vieną kartą.
Ir tada mes kalbame apie elektrono grąžinimą į praeitį ne minutei ar sekundei, o maždaug vienai dešimt milijardai sekundės. Akivaizdu, kad makroskopiniuose reiškiniuose (kamuolių susidūrimas ir panašiai) dalyvauja neįtikėtinai daug elektronų ir tai, kas vyksta, yra nepalyginamai ilgiau. Todėl mes dar labiau nepastebime, kad žmonės jaunėja, o rašalo dėmė ant popieriaus surenkama lašeliu.
Kaip priversti laiką grįžti atgal
Toliau mokslininkai bandė pakeisti eksperimento laiką. Vietoj elektrono buvo pastebėta kvantinio kompiuterio būsena, kurią pirmiausia sudarė du, o paskui trys elementai - superlaidūs kubitai. Eksperimentą sudaro keturi etapai. Užsakymo etapas: visi kubitai perkeliami į „0“būseną, kuri vadinama pagrindine būsena. Šis momentas atitinka elektrono lokalizaciją nedidelėje erdvės vietoje.
Sistema užsakyta - vaizdžiai tariant, biliardo kamuoliai išdėstyti piramidėje. Tada ateina degradacijos stadija - ir tvarka prarandama. Kaip elektronas plinta erdvėje, o smūgio metu lūžta piramidė, kubitų būsena ima keistai keistis.
Tam trumpam paleidžiama kompiuterinė evoliucijos programa. Toks degradacija, vienaip ar kitaip, atsirastų savaime dėl sąveikos su aplinka, nes sistema linkusi į chaosą.
Tačiau kontroliuojama autonominės sistemos evoliucijos programa leis paskutinį eksperimento etapą. Tada laikas yra atvirkštinis. Speciali programa paverčia kvantinio kompiuterio būseną taip, kad ateityje ji vystytųsi atvirkščiai - iš chaoso į tvarką.
Ši operacija yra panaši į atsitiktinį lauko svyravimą elektrono atveju, tik dabar ji yra apgalvota. Piramidės pavyzdyje galite įsivaizduoti, kaip kažkas spardo ar purto biliardo stalą, atlikdamas be galo tikslius skaičiavimus. Galiausiai regeneracijos etape iš naujo pradedama ta pati evoliucinė programa, kuri anksčiau sukėlė chaoso padidėjimą.
Ir jei „smūgis“buvo sėkmingas, kubitų būsena pradeda atsigręžti į praeitį, tarsi difuzinis elektronas vėl būtų lokalizuotas, o rutuliai, praeinantys išilgai savo trajektorijų atgal, susisuks į piramidė.
Mokslininkai nustatė, kad 85% atvejų po transformacijos kompiuteris iš dviejų kubitų tikrai grįžo į pradinę būseną. Trijų kubitų atveju klaidų pasitaikydavo dažniau - pusėje atvejų. Tačiau, pasak autorių, taip yra dėl kvantinio kompiuterio netobulumo. Tobulėjant technologijoms, klaida mažės.
Be to, pats laiko keitimo algoritmas ateityje taip pat gali padaryti kvantinį kompiuterį tikslesnį. „Mūsų algoritmą galima patobulinti ir naudoti kvantinio kompiuterio programoms patikrinti, taip pat pašalinti trikdžius ir nesėkmes jo darbe“, - aiškina Andrejus Lebedevas.
Darbe dalyvavo mokslininkai iš Maskvos fizikos ir technologijų instituto (Gordey Lesovik, Andrey Lebedev, Michailas Suslov), Ciuricho federalinės aukštosios technikos mokyklos (Andrejus Lebedev), JAV Argonne nacionalinės laboratorijos (Valerijus Vinokuras, Ivanas Sadovskis).