Обратный ход времени на квантовом компьютере

Исследователи разработали алгоритм для имитации кратковременного возвращения частицы в прошлое. Результаты предлагают новые пути для изучения обратного потока времени в квантовых системах. Они также открывают новые возможности для тестирования квантовых компьютерных программ и исправления ошибок.

Мы все отмечаем дни часами и календарями, но, возможно, ни один из часов не является более быстрым, чем зеркало. Изменения, которые мы наблюдаем за эти годы, ярко иллюстрируют «стрелу времени» науки — вероятный переход от порядка к беспорядку. Мы не можем повернуть эту стрелку вспять, как только можем стереть все наши морщины или восстановить разбитую чайную чашку в ее первоначальном виде.

Или мы можем?

Международная группа ученых во главе с Аргоннской национальной лабораторией Министерства энергетики США изучила этот вопрос в своем первом эксперименте, сумев на короткое время вернуть компьютер в прошлое. Результаты, опубликованные 13 марта в журнале Scientific Reports, предлагают новые пути для исследования обратного потока времени в квантовых системах. Они также открывают новые возможности для тестирования квантовых компьютерных программ и исправления ошибок.

Чтобы добиться изменения времени, исследовательская группа разработала алгоритм для публичного квантового компьютера IBM, который имитирует рассеяние частицы. В классической физике это может выглядеть как бильярдный шар, пораженный кием, путешествующим по линии. Но в квантовом мире одна рассеянная частица приобретает разрушенное качество, распространяясь во многих направлениях. Обратить его квантовую эволюцию — все равно, что поменять кольца, созданные, когда камень брошен в пруд.

В природе восстановить эту частицу до ее первоначального состояния — по сути, собрать разбитую чашку обратно — невозможно.

Основная проблема заключается в том, что вам потребуется «суперсистема» или внешняя сила, чтобы манипулировать квантовыми волнами частицы в каждой точке. Но, как отмечают исследователи, временная шкала, необходимая для того, чтобы эта суперсистема появилась спонтанно и правильно управляла квантовыми волнами, продолжалась бы дольше, чем сама вселенная.

Не смущаясь, команда решила определить, как можно преодолеть эту сложность, по крайней мере, в принципе. Их алгоритм имитировал рассеяние электронов двухуровневой квантовой системой, «имитируемой» квантовым компьютерным кубитом — базовой единицей квантовой информации — и связанной с ним эволюцией во времени. Электрон переходит из локализованного или «видимого» состояния в рассеянное. Затем алгоритм перебрасывает процесс в обратном направлении, и частица возвращается в исходное состояние — другими словами, она движется назад во времени, хотя бы на долю секунды.

Принимая во внимание, что квантовая механика определяется вероятностью, а не уверенностью, шансы для достижения этого умения путешествовать во времени были довольно хорошими: алгоритм давал тот же результат 85 процентов времени в квантовом компьютере на два кубита.

«Мы сделали то, что раньше считалось невозможным», — сказал старший научный сотрудник Аргонн Валерий Винокур, который руководил исследованиями.

Результат углубляет наше понимание того, как второй закон термодинамики — что система всегда будет двигаться от порядка к энтропии, а не наоборот — действует в квантовом мире. Исследователи продемонстрировали в предыдущей работе, что, телепортируя информацию, локальное нарушение второго закона было возможно в квантовой системе, разделенной на отдаленные части, которые могли уравновесить друг друга.

«Результаты также подтверждают идею о том, что необратимость является результатом измерения, подчеркивая роль, которую концепция« измерения »играет в самом основании квантовой физики», — сказал соавтор статьи Гордей Лесовик из Московского физико-технического института.,

Это то же самое понятие, которое австрийский физик Эрвин Шредингер запечатлел в своем знаменитом мысленном эксперименте, в котором кот, запечатанный в коробке, может оставаться и мертвым, и живым, пока его статус не будет каким-то образом проверен. Исследователи приостановили свою частицу в этой суперпозиции, или форме квантовой неопределенности, ограничив их измерения.

«Это было неотъемлемой частью нашего алгоритма, — сказал Винокур, — мы измерили состояние системы в самом начале и в самом конце, но не вмешивались в процесс».

Открытие может в конечном итоге позволить более эффективные методы исправления ошибок на квантовых компьютерах, где накопленные глюки генерируют тепло и порождают новые. Квантовый компьютер, способный эффективно откатываться назад и устранять ошибки при работе, может работать гораздо эффективнее.

«В настоящий момент очень сложно представить все возможные последствия», — сказал Винокур. «Я настроен оптимистично, и я верю, что это будет много».

Исследование также поднимает вопрос: могут ли исследователи найти способ снова сделать пожилых людей молодыми? «Может быть, — шутит Винокур, — с надлежащим финансированием».

Работа выполнена международной командой, в которую вошли исследователи из Московского физико-технического института (Гордей Лесовик, Андрей Лебедев, Михаил Суслов), ETH Zurich (Андрей Лебедев) и Аргоннской национальной лаборатории США (Валерий Винокур, Иван Садовский).

Финансирование этих исследований было предоставлено Управлением по науке и стратегическому партнерству Министерства энергетики США (Швейцарский национальный фонд и Фонд развития теоретической физики«BASIS»).