Время можно отмотать назад: физики доказали, что квантовой необратимостью можно управлять

У фундаментальных законов физики, описывающих устройство нашей Вселенной, есть интересное свойство: они симметричны по отношению ко времени. Уравнения классической механики, электродинамики и даже базовые формулы квантовой теории не имеют встроенного вектора, который указывал бы, где находится прошлое, а где — будущее. С точки зрения чистой математики, физический процесс может протекать как в прямом, так и в обратном направлении с одинаковой вероятностью.

Однако в реальном мире мы наблюдаем полную однонаправленность времени. Это явление принято называть стрелой времени. В макроскопическом масштабе ее существование объясняется вторым началом термодинамики: закрытые системы неизбежно эволюционируют от порядка к хаосу, увеличивая общую энтропию. Но на микроскопическом, квантовом уровне, где законы термодинамики в их привычном виде не работают, возникает своя, квантовая стрела времени.

Группа физиков-теоретиков из Национальной лаборатории Лос-Аламоса и Мэрилендского университета опубликовала в научном журнале Physical Review X исследование, которое меняет наше понимание этого явления. Ученые доказали, что квантовую стрелу времени можно не только математически описать, но и взять под полный контроль. Разработанный ими теоретический аппарат позволяет замедлять эволюцию квантовой системы, полностью останавливать ее изменение во времени и даже заставлять систему развиваться в обратном направлении. Более того, физики выяснили, что этот механизм управления может работать как источник энергии, превращая систему в квантовый двигатель принципиально нового типа.

Проблема квантового наблюдения

Для общего понимания, рассмотрим как возникает квантовая необратимость. В классической физике процесс наблюдения за объектом пассивен. Измеряя температуру воды или скорость автомобиля, исследователь получает информацию, не меняя при этом физического состояния самих объектов.

В квантовой механике акт измерения устроен иначе. Получение информации о квантовой системе (например, о спине электрона или состоянии сверхпроводящего кубита) всегда является физическим вмешательством. Этот феномен называется обратным влиянием измерения. Когда измерительный прибор непрерывно считывает данные с квантового объекта, он постоянно нарушает его изоляцию.

В результате этого непрерывного воздействия состояние системы начинает изменяться случайным, непредсказуемым образом. В физике такой процесс называется стохастической траекторией. Каждое новое мгновение измерения вносит в систему долю случайного шума. Именно эта фундаментальная случайность, генерируемая в процессе считывания информации, делает квантовую динамику необратимой. Вероятность того, что квантовая система естественным путем пройдет ту же самую хаотичную последовательность изменений в обратном порядке, практически равна нулю. Измерение порождает необратимость, а необратимость формирует стрелу времени.

Математическая репликация хаоса

Главным прорывом американских исследователей стало создание математического инструмента, способного детерминированно описать этот случайный процесс. Они разработали специфический гамильтониан — математический оператор, который в квантовой механике определяет полную энергию системы и диктует правила, по которым ее состояние меняется с течением времени. Авторы работы назвали его H_meas (от английского measurement — измерение).

Уникальность этого оператора заключается в том, что он работает как идеальный дубликатор стохастической траектории. Для его применения физику необходимо знать только две вещи: исходное состояние квантовой системы до начала наблюдений и полный массив данных, полученных измерительным прибором.

Используя эти вводные, гамильтониан H_meas способен с абсолютной точностью воспроизвести весь хаотичный путь, который прошла система под воздействием прибора. Исследователи доказали, что фундаментально случайный процесс, порожденный квантовым измерением, можно полностью сымитировать и воссоздать с помощью строгого математического алгоритма, если у наблюдателя есть доступ к результатам этих измерений.

Контур обратной связи и контроль над временем

Тот факт, что влияние измерения можно точно рассчитать и воспроизвести, открывает путь к физическому управлению системой. Если физик знает, как именно прибор изменит состояние кубита в следующую микросекунду, он может применить к кубиту противоположное воздействие, чтобы нейтрализовать эти изменения.

Для этого авторы работы предложили использовать механизм непрерывной обратной связи. Концепция выглядит следующим образом: измерительная аппаратура считывает состояние системы, алгоритм мгновенно вычисляет внесенные искажения с помощью гамильтониана H_meas, после чего на систему подается управляющий импульс, пропорциональный этому гамильтониану, но с заданным коэффициентом.

В математической модели этот управляющий коэффициент обозначен параметром X (хи). Изменяя значение этого параметра, исследователь получает возможность напрямую регулировать течение квантовой стрелы времени:

1. Ускорение времени (X > 0): если управляющий импульс подается в том же направлении, что и воздействие прибора, обратная связь усиливает эффект измерения. Стохастическая эволюция системы ускоряется. В терминах исследователей, квантовая стрела времени растягивается, и система быстрее отдаляется от своего начального состояния.
2. Остановка времени (X = -1): в этом режиме обратная связь подается с противоположным знаком и идеальной точностью компенсирует вмешательство измерительного прибора. Любое случайное отклонение, вызванное наблюдением, немедленно подавляется управляющим импульсом. В результате квантовая система фиксируется в своем первоначальном состоянии. Несмотря на непрерывное внешнее воздействие, ее внутренняя эволюция прекращается.
3. Обращение времени вспять (X < -2): самый интересный режим работы алгоритма. Если сила компенсирующего воздействия значительно превышает силу самого измерения, обратная связь начинает подавлять не только текущие, но и предшествующие изменения. Математическое моделирование показывает, что в таких условиях система вынуждена проходить свою стохастическую траекторию в строго обратном порядке. То, что при естественном развитии событий являлось необратимым следствием квантового шума, под воздействием избыточной обратной связи разворачивается в прошлое.

Термодинамика непрерывного наблюдения

Помимо манипуляций с направлением времени, исследование описывает практическое применение данного механизма. Управление квантовой стрелой времени тесно связано с передачей энергии и законами квантовой термодинамики.

Любое измерение — это физический процесс. Когда аппарат непрерывно отслеживает состояние квантовой системы, он неминуемо передает ей определенное количество энергии. В стандартных условиях эта энергия приводит к неконтролируемым изменениям в системе и в конечном итоге рассеивается в окружающую среду в виде бесполезного тепла или информационного шума.

Однако ситуация кардинально меняется при использовании контура обратной связи. Рассмотрим режим точной компенсации (X = -1), при котором система искусственно удерживается в начальном состоянии. Измерительный прибор продолжает работу и, следовательно, продолжает накачивать квантовую систему энергией. Но поскольку состояние системы остается неизменным, она физически не способна абсорбировать эту энергию.

Согласно законам сохранения, поступающая энергия должна куда-то расходоваться. Авторы исследования строго математически доказали, что в этом режиме избыточная энергия полностью извлекается самим механизмом обратной связи в форме полезной термодинамической работы.

Фактически, ученые описали концепцию квантового двигателя непрерывного действия. В отличие от традиционных тепловых машин, использующих разницу температур, этот двигатель работает исключительно за счет информационного обмена. Его топливом является процесс квантового мониторинга, а извлекаемая мощность прямо пропорциональна интенсивности измерений.

Практическая реализуемость и значение для индустрии

Наиболее слабой стороной многих теоретических работ в области квантовой физики является их полная оторванность от существующих технологических реалий. Теоретики часто оперируют идеальными системами, которые невозможно воссоздать в лаборатории. Авторы данного исследования учли этот фактор и провели дополнительное моделирование своего алгоритма с учетом реальных физических ограничений.

В реальности измерительные приборы никогда не бывают идеальными. В физике это описывается параметром «эффективность измерения». Современные детекторы для сверхпроводящих кубитов способны фиксировать лишь от 70% до 80% происходящих изменений; остальная информация теряется. Кроме того, контур обратной связи всегда имеет задержку во времени: процессору требуется время на получение сигнала, вычисление гамильтониана H_meas и отправку управляющего импульса.

Моделирование показало, что описанный квантовый механизм сохраняет работоспособность даже при неидеальных условиях. При эффективности детекторов на уровне 50% и наличии реалистичных временных задержек, алгоритм обратной связи все равно способен компенсировать квантовый шум и извлекать термодинамическую работу из процесса наблюдения. Мощность двигателя в таких условиях снижается, однако базовые принципы его функционирования не нарушаются.

В современной индустрии квантовых вычислений главными препятствиями для создания полномасштабных квантовых компьютеров являются потеря когерентности и неконтролируемый квантовый шум, возникающий в том числе из-за необходимости считывать данные с кубитов.

Алгоритм, предложенный исследователями, предоставляет аналитический метод борьбы с этим шумом. Понимание того, как именно измерительная аппаратура формирует стохастические траектории, и умение применять точечную обратную связь для их компенсации, может стать основой для новых систем квантовой коррекции ошибок. Умение «останавливать время» для отдельно взятого кубита означает возможность стабилизировать его состояние на произвольно долгий срок, что является критически важным условием для проведения сложных квантовых вычислений.

В конечном итоге, исследование демонстрирует, что необратимость процессов в квантовом мире не является жестко заданным свойством природы. Если наблюдатель обладает исчерпывающей информацией о системе и алгоритмами для мгновенной обратной связи, граница между прошлым и будущим теряет свою абсолютность, становясь параметром, который можно контролировать и использовать в технологических целях.

Источник: Physical Review X