Физикам удалось вернуть квантовую систему из будущего в прошлое.

Исследователи из Московского физико-технического института и их американские и швейцарские коллеги разработали алгоритм, способный вернуть состояние квантового компьютера на долю секунды в прошлое. Кроме того, они вычислили, с какой вероятностью электрон в пустом межзвёздном пространстве может самопроизвольно отправиться в своё недавнее прошлое. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

«Это одна из серии работ, посвящённых возможности нарушить второе начало термодинамики – закон физики, тесно связанный с понятием стрелы времени, различием между прошлым и будущим, – отметил ведущий автор исследования Гордей Лесовик, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ, – мы искусственно создали такое состояние системы, которое само развивается в обратную с точки зрения второго начала сторону».
Большинство законов физики не делают различия между прошлым и будущим. Например, столкновение и разлёт двух бильярдных шаров описываются одним уравнением. Если записать этот процесс на видео и проиграть в обратную сторону, то невозможно сказать, какая версия развития событий настоящая: из прошлого в будущее или из будущего в прошлое. Однако если заснять на видео, как бильярдный шар разбивает пирамиду (собранные вместе в виде треугольника остальные шары) и потом проиграть запись в обратную сторону, то любой человек отличит прямое действие от обратного.

Опыт подсказывает, что случайно движущиеся шары не могут сложиться в правильную неподвижную фигуру. Это отражено во втором законе термодинамики: если некоторая система не имеет притока энергии извне, то она либо сохраняет своё состояние, либо оно самопроизвольно изменяется в сторону хаоса, но не порядка. Как говорят физики, у системы растёт энтропия. Это и задаёт направление эволюции мира – так называемую стрелу времени.
Так что, хотя законы физики и не запрещают катающимся шарам складываться в пирамиду, растворённому в стакане чаю собираться назад в пакетик, а растаявшему мороженому вновь замёрзнуть на жаре, все эти процессы в реальности мы не наблюдаем. Ведь в них изолированная система самопроизвольно упорядочивалась бы, что противоречит второму закону термодинамики. Его природа пока не объяснена окончательно во всех деталях, и раскрытие происхождения «стрелы времени» остается важной фундаментальной научной задачей. Поэтому исследователи вновь и вновь «пробуют его на зуб», пытаясь понять, можно ли обойти необратимость времени, и, если да, то как это сделать практически.

Квантовые физики из МФТИ попытались ответить на вопрос, может ли время само собой повернуться вспять хоть на долю секунды для отдельно взятой частицы. Для этого они рассмотрели одиночный электрон в пустом межзвёздном пространстве. Пусть в начальный момент наблюдений электрон локализован. Это значит, что мы знаем, где он расположен. Правда, указать конкретную точку не получится, запрещает принцип неопределённости квантовой механики, но можно очертить небольшой участок пространства, в котором находится электрон.

В ходе последующей эволюции этот участок уже через доли секунды «расползётся». Система стремится к хаосу – со временем мы будем знать о местонахождении электрона всё меньше. Неопределённость растёт. Такое поведение состояния отдельной частицы – аналог увеличения энтропии большой системы, описываемой вторым началом термодинамики. Однако уравнение Шрёдингера, которым описывается квантовое состояние электрона, не делает различия между прошлым и будущим, оно обратимо. С математической точки зрения это значит, что если подвергнуть его определённому преобразованию (комплексному сопряжению), то полученное уравнение будет описывать то, как «размазанный» электрон локализуется обратно за то же время, что ушло на «расползание».
Теоретически такое явление может произойти из-за случайной флуктуации реликтового излучения, которым пронизано межзвёздное пространство. Исследователи вычислили его вероятность. Оказалось, что даже если ежесекундно наблюдать по 10 миллиардов электронов, то всего времени жизни Вселенной (13,7 млрд лет) хватит, чтобы лишь один раз увидеть обратную эволюцию состояния электрона. И то речь идёт о возврате электрона в прошлое не на минуту и не на секунду, а примерно на одну десятимиллиардную долю секунды.

Ясно, что в макроскопических явлениях вроде столкновения шаров, когда задействовано умопомрачительное количество электронов, вероятность отката в прошлое значительно меньше. Поэтому мы и не наблюдаем, чтобы люди молодели, а чернильная клякса на бумаге собиралась в каплю. Тем не менее, можно разработать алгоритм для квантового компьютера (системы кубитов), который включает в себя комплексное сопряжение и, таким образом, обращает во времени квантовое состояние. Руководствуясь этой идеей, физики попытались обратить время вспять в эксперименте.

Они наблюдали состояние квантового компьютера из двух, а затем из трёх сверхпроводящих кубитов. Эволюция системы проходила четыре стадии. На стадии порядка все кубиты приводятся в состояние «0», которое называют основным. Система упорядочена. Это соответствует локализации электрона в небольшом участке пространства, или бильярдные шары выстроены в пирамиду. Далее наступает стадия деградации, и порядок утрачивается. Состояние кубитов начинает причудливым образом усложняться, под действием программы эволюции. Это соответствует расплыванию электрона в пространстве, или разбиванию пирамиды. Деградация произошла бы и сама из-за взаимодействия с окружением, ведь система стремится к хаосу, но контролируемая программа эволюции системы делает возможной последнюю стадию эксперимента. Затем происходит обращение времени. Специальная программа преобразует состояние квантового компьютера так, чтобы в дальнейшем оно развивалось наоборот, от хаоса к порядку.
Эта операция аналогична случайной флуктуации поля в случае с электроном, только теперь она умышленная. В примере с пирамидой – можно представить, как кто-то пнул или потряс бильярдный стол с очень точным расчётом. Наконец, на стадии регенерации повторно запускается та же программа эволюции, которая ранее вызывала нарастание хаоса. И если «пинок» был успешен, то состояние кубитов начинает отматываться назад, в прошлое, словно размытый электрон вновь локализуется, а шары, пройдя по своим траекториям из прошлого задом-наперёд, складываются в пирамиду.
Исследователи установили, что в 85% случаев после преобразования компьютер из двух кубитов действительно возвращался обратно в исходное состояние. В случае с тремя кубитами ошибки случались чаще – в половине случаев. Однако, по словам авторов работы, это объясняется несовершенством использованного квантового компьютера. С его модификацией ошибка будет уменьшаться. Алгоритм обращения времени может в будущем найти и другое применение. Его можно доработать и использовать для проверки программ квантового компьютера, а также для устранения помех и сбоев в его работе.