Ученые научились обращать время вспять в квантовых системах

Ученые разработали новый способ управления квантовыми системами, который может заставить их поведение выглядеть так, будто время движется вспять, а не вперед. Исследование, опубликованное в журнале Physical Review X, представляет протоколы квантового управления, которые изменяют «стрелу времени» системы — концепцию, согласно которой время естественным образом движется только в одном направлении. Этот подход в будущем может лечь в основу новых методов извлечения энергии из квантовых систем и подготовки квантовых состояний.

Квантовая система, например группа кубитов, подчиняется законам квантовой механики, а не классической физики. Используя новые протоколы управления, исследователи могут подавлять обычное проявление стрелы времени или даже обращать ее видимое направление, заставляя квантовые процессы выглядеть так, как будто они разворачиваются в обратном направлении. В качестве демонстрации своей техники команда также создала измерительный двигатель, способный извлекать энергию из процесса квантовых измерений.

«В отличие от явлений, которые мы наблюдаем вокруг, на микроскопическом уровне большинство фундаментальных законов физики считают движение вперед и назад во времени физически возможным, — объясняет физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Луис Педро Гарсия-Пинтос. — Другими словами, эти законы физики симметричны относительно обращения времени: уравнения работают одинаково хорошо, если обратить время вспять. Для квантовых систем, которые функционируют на этом микроскопическом уровне, созданные нами инструменты могут манипулировать воспринимаемой стрелой времени, что приводит к удивительным, новым способам управления квантовыми системами».

В повседневной классической физике измерение почти не влияет на наблюдаемый объект. Квантовые системы ведут себя иначе: измерение случайным образом меняет их состояние, естественным образом создавая стрелу времени. Чтобы преодолеть этот эффект, исследователи объединили измерения с обратной связью для создания обращенных во времени стохастических траекторий. Это позволило квантовым системам следовать путям, которые выглядят согласованными с течением времени в обратном направлении. Команда добилась этого, разработав управляющий гамильтониан — тщательно спланированную последовательность полей и импульсов, воспроизводящую эффекты квантовых измерений.

Работа также опирается на знаменитый мысленный эксперимент XIX века, известный как «демон Максвелла». Команда из Лос-Аламоса создала квантового «демона», который использует информацию о состоянии квантовой системы и результатах измерений, чтобы вызвать необычное поведение, фактически обращая вспять естественную стрелу времени системы.

Новые методы управления также позволяют влиять на то, как энергия поступает в квантовую систему и покидает ее. Эта возможность может обеспечить работу непрерывного измерительного двигателя, который извлекает полезную энергию непосредственно из процесса мониторинга. В этой схеме квантовые измерения становятся термодинамическим ресурсом, который можно использовать для совершения работы, например, для запуска другого квантового процесса или накопления энергии в квантовой батарее.

В будущем исследователи планируют экспериментально продемонстрировать процессы управления на основе гамильтониана для квантовой обратной связи с использованием сверхпроводящих кубитов. Эти системы поддерживают быструю обратную связь, высокоэффективное обнаружение и уже использовались для реализации квантовых версий демона Максвелла. Дальнейшие исследования также будут применять новые методы для разработки улучшенных протоколов подготовки квантовых состояний.