Учёные добились в квантовых системах эффектов, напоминающих обращение времени вспять

Учёные разработали новый метод управления квантовыми системами, за счёт которому их поведение может казаться более согласующимся с обратным, а не прямым течением времени. В исследовании, опубликованном в журнале «Physical Review X», представлены протоколы квантового управления, которые изменяют «стрелу времени» системы — концепцию, в соответствии с которой время естественным образом движется только в одном направлении. В перспективе этот решение может способствовать разработке 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 недавно разработанные протоколы управления, исследователи могут замедлять «стрелу времени», останавливать её или даже изменять её кажущееся направление, создавая впечатление, будто квантовые процессы протекают в обратном направлении. В качестве демонстрации этой техники команда также создала измерительный алгоритм, способный извлекать энергию из самого процесса проведения квантовых измерений.

«В противовес явлений, которые мы наблюдаем вокруг себя, на микроскопическом уровне большинство фундаментальных законов физики допускают возможность движения как вперёд, так и назад во времени», — сказал физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории Луис Педро Гарсия-Пинтос. «Другими словами, эти законы физики симметричны относительно обращения времени; уравнения работают аналогично, если обратить ход времени. В случае квантовых систем, функционирующих на этом микроскопическом уровне, разработанные нами инструменты позволяют манипулировать воспринимаемой „стрелой времени“, что открывает удивительные и новые способы управления квантовыми системами».

В повседневной классической физике проведение измерения фактически не влияет на наблюдаемый объект. Квантовые системы ведут себя совершенно иначе. Их измерение изменяет их состояние, естественным образом создавая стрелу времени.

Чтобы преодолеть этот эффект, исследователи совместили измерения с обратной связью, чтобы получить стохастические траектории с обратным ходом времени. Это позволило квантовым системам следовать по траекториям, которые кажутся совместимыми с обратным течением времени.

Команда добилась этого путём разработки управляющего гамильтониана — тщательно спланированной последовательности полей и импульсов, воспроизводящей эффекты квантовых измерений. При включении в систему обратной связи гамильтониан может компенсировать, усиливать или даже перекомпенсировать возмущения, вызванные измерениями. В результате система может генерировать траектории, соответствующие растянутым, размытым или инвертированным стрелкам времени.

Новые методы управления равным образом позволяют исследователям влиять на то, как энергия поступает в квантовую систему и выходит из неё. Эта функция может стать источником питания для механизма непрерывного измерения, извлекающего полезную энергию непосредственно из самого процесса мониторинга.

В этой парадигме квантовые измерения становятся термодинамическим ресурсом, который можно применять для выполнения работы, в частности, для приведения в действие другого квантового процесса или накопления энергии в квантовой батарее.