Физики разработали квантовый протокол, способный "обманывать" стрелу времени

Группа физиков из Лос-Аламосской национальной лаборатории опубликовала в журнале Physical Review X исследование, описывающее новый протокол управления квантовыми системами, который позволяет манипулировать так называемой стрелой времени на квантовом уровне.

На основе этого механизма учёные разработали измерительный движок для извлечения энергии из квантовых систем, при этом обнаружив, что их инструмент делает эволюцию квантовой системы "более согласующейся со временем, текущим в обратную сторону" – в статистическом смысле.

Крупнейший коллайдер США завершил работу ради ещё более мощного преемника

Чтобы понять, о чём идёт речь, стоит вспомнить базовую интуицию о направленности времени. Если кто-то покажет видео, на котором разбитый стакан сам собирается, а разлитая вода собирается обратно в чашку, любой сразу поймёт, что запись воспроизводится в обратном направлении. Это и есть стрела времени – физически необратимые процессы мы воспринимаем как однонаправленные.

Однако, как объясняет ведущий автор исследования Луис Педро Гарсиа-Пинтос, многие природные явления сами по себе не имеют предпочтительного направления времени.

Строго говоря, в математическом аппарате физики направление стрелы времени не играет никакой роли. Стрела времени возникает в вероятностном смысле лишь тогда, когда система измеряется и эти измерения вносят в неё случайность.

Фундаментальные законы физики утверждают, что на квантовом уровне время симметрично, и новая работа опирается именно на эту идею. Как правило, появление стрелы времени квантифицируют путём "сравнения вероятности прямого процесса во времени с его обращённой во времени версией". Новый протокол представляет собой математический каркас, описывающий эволюцию наблюдаемых квантовых систем.

Исследователи создали конструкцию наподобие движка и применили протокол к системе через механизм обратной связи. Это позволило "компенсировать, усиливать или избыточно компенсировать" возмущения, вносимые измерением системы. В результате учёные получили возможность свободно "изменять то, как система эволюционирует" и "переформировывать стрелу времени".

При этом ученые отдельно отметили принципиальный момент:

Наша работа никак не связана с путешествиями во времени. В фундаментальном плане она показывает конкретные способы, которыми квантификаторы стрелы времени можно обмануть, заставив их сигнализировать о неправильном направлении течения времени.

Важно учитывать, что описанный движок пока существует исключительно как теоретическая конструкция, хотя статья предлагает убедительные идеи для его реализации. Команда нацелена на экспериментальную проверку концепции с использованием сверхпроводящих кубитов.

Если это удастся воплотить, исследователи полагают, что механизм позволит максимизировать энергетический потенциал таких технологий, как квантовые батареи, или конкретных алгоритмов в квантовых устройствах.

Турбулентность плазмы удивила физиков необычным поведением в термоядерных реакторах

По словам Гарсиа-Пинтоса, инструмент оказался "достаточно универсальным", чтобы другие исследователи могли найти для него неожиданные применения. В качестве следующего шага команда планирует испытать протокол на сверхпроводящих кубитах, чтобы оценить его применимость в более прикладных экспериментальных установках.