Учёные разработали новый способ управлять квантовыми системами так, чтобы их поведение выглядело более похожим на движение времени назад, а не вперёд. Работа опубликована в журнале Physical Review X и посвящена так называемой «стреле времени» — идее о том, что время в привычном нам мире движется только в одном направлении.
Речь не о том, что физики построили машину времени. Они создали набор квантовых протоколов управления, которые могут подавлять обычное появление стрелы времени или даже разворачивать её видимое направление. В результате процессы в квантовой системе начинают выглядеть так, будто они разворачиваются в обратную сторону.
Квантовая система — например, группа кубитов — подчиняется не правилам классической физики, а законам квантовой механики. На таком микроскопическом уровне привычные интуитивные представления часто перестают работать. Один из авторов исследования, физик Лос-Аламосской национальной лаборатории Луис Педро Гарсия-Пинтос, объясняет, что фундаментальные законы физики на микроскопическом уровне во многих случаях одинаково допустимы и для движения времени вперёд, и для движения назад. То есть сами уравнения могут работать и при обратном ходе времени.
Главная сложность в том, что квантовые измерения сами меняют состояние системы. В обычной жизни измерение почти не влияет на объект: если посмотреть на мяч, он не станет другим. Но в квантовом мире всё иначе. Сам акт измерения случайным образом меняет состояние системы и тем самым создаёт собственную стрелу времени.
Чтобы обойти этот эффект, исследователи объединили измерения с обратной связью. Это позволило заставить квантовые системы двигаться по траекториям, которые выглядят согласованными с обратным направлением времени.
Для этого команда разработала управляющий гамильтониан — заранее рассчитанную последовательность полей и импульсов, которая воспроизводит эффекты квантовых измерений. Когда такой механизм включают в систему обратной связи, он может отменять, усиливать или даже чрезмерно компенсировать возмущения, вызванные измерениями. В итоге система способна создавать траектории, соответствующие растянутой, размытой или перевёрнутой стреле времени.
Исследование также связано с известным мысленным экспериментом XIX века — «демоном Максвелла». В нём воображаемый наблюдатель сортирует горячие и холодные частицы так, будто уменьшает энтропию и бросает вызов второму закону термодинамики. Позднее физика показала, что этот закон не нарушается, если учитывать все термодинамические затраты.
Квантовый «демон» команды из Лос-Аламоса использует информацию о состоянии квантовой системы и результатах измерений, чтобы создавать похожее необычное поведение. По сути, он помогает развернуть естественную стрелу времени системы.
Есть и ещё один важный результат. Новые методы позволяют влиять на то, как энергия входит в квантовую систему и выходит из неё. На этой основе учёные создали измерительный двигатель, который может извлекать полезную энергию прямо из процесса наблюдения за квантовой системой.
В такой схеме квантовые измерения становятся не просто способом получить информацию, а термодинамическим ресурсом. Эту энергию можно использовать для выполнения работы — например, чтобы запустить другой квантовый процесс или сохранить энергию в квантовой батарее.
В будущем исследователи планируют экспериментально показать такие процессы квантового управления с обратной связью на сверхпроводящих кубитах. Эти системы подходят для быстрых реакций, эффективного обнаружения сигналов и уже использовались для реализации квантовых версий демона Максвелла. Также новые методы хотят применить для более точной подготовки квантовых состояний.
