Квантовую систему заставили вернуться к прошлому состоянию

МФТИ

Коллектив ученых из России, США и Швейцарии теоретически обосновал и реализовал преобразование квантовой системы, после которого она самостоятельно эволюционирует к одному из предыдущих состояний. В некотором смысле это эквивалентно «обращению вспять» течения времени в весьма специфической ситуации. В рамках экспериментов физикам удалось с высокой точностью вернуть в исходное систему из двух и трех кубитов. Статья с описанием результатов опубликована в журнале Scientific Reports.

Большинство законов физики, например, классической механики, симметричны относительно времени, то есть не делают различий для прямых и обратных процессов. В связи с этим в физике актуальной проблемой является стрела времени, то есть причина существования выделенного направления течения процессов. Один из стандартных подходов к этому вопросу — рассмотрение в контексте статистической физики и второго начала термодинамики, которое утверждает, что энтропия замкнутой системы не убывает, то есть в отсутствии внешнего воздействия неупорядоченность должна возрастать.

Квантовая механика привнесла новый взгляд на проблему стрелы времени, выдвинув две новые гипотезы. Первая, независимо сформулированная Львом Ландау и Джоном фон Нейманом, гласит, что необратимость физических процессов проистекает из актов макроскопических измерений квантовых систем. Вторая, за авторством Юджина Вигнера, утверждает, что обращение во времени является неунитарной операцией, в то время как эволюция квантового состояния обязана быть унитарной, то есть описываться унитарным оператором, произведение которого с сопряженным к нему оператором дает единичный оператор.

В работе под руководством Гордея Лесовика из МФТИ предлагается новый взгляд на квантовую природу стрелы времени. Авторы показывают, что, несмотря на невозможность существования универсального оператора обращения времени, его можно получить в некоторых ситуациях, однако для его реализации всегда необходимо создание внешней по отношению к преобразуемой системе. В классическом случае для обращения достаточно зеркально отразить скорости всех частиц в системе, но в квантовой механике необходимо также обратить фазы волновых функций всех частиц, и именно это невозможно осуществить в общем случае. Однако если этого удастся достичь, то подействовав на квантовую систему, которая изначально находилась в состоянии Ψ0, а спустя время τ — в состоянии Ψ1, оператором обращения, по истечению еще τ она вновь должна оказаться в состоянии Ψ0.


Физики оценивают вероятность самопроизвольного сопряжения волновой функции в простейшей ситуации нахождения отдельной частицы в пространстве, заполненном единственным полем, которое играет роль внешней системы. Для конкретики авторы рассматривают электрон в поле фотонов реликтового излучения с современной температурой 2,7 кельвинов. Анализ показывает, что для текущего возраста Вселенной типичное время самопроизвольного обращения τ оказывается порядка 6×10-11 секунд, но даже при этом вероятность случайного появления электромагнитного поля нужной конфигурации столь мала, что при реализации подобного эксперимента 10 миллиардов раз в секунду за время жизни Вселенной нам в среднем лишь раз посчастливится зафиксировать подобную ситуацию.

Авторы также анализируют ситуацию двух частиц, не находящихся в состоянии квантовой запутанности. Оказывается, что если частицы достаточно близки (их волновые функции перекрываются, и объекты нельзя считать уединенными) простые флуктуации поля, такого как электромагнитное поле реликтовых фотонов, уже не смогут произвести необходимого воздействия. Еще более сложной является ситуация нескольких запутанных частиц, когда они образуют единую систему, описываемую единой волновой функцией. В таком случае оказывает необходимо проведение особого рода операций над двумя частицами сразу.

Также физики провели экспериментальную демонстрацию разработанного протокола. Для этого они обращали состояния публично доступного квантового компьютера IBM, который симулировал рассеяние электронов в одномерном случае. Авторы проводили исследования для случая двух и трех сверхпроводящих кубитов. Реализация данного опыта происходила в четыре этапа. Изначально все кубиты приводятся в основное энергетическое состояние, после чего они начинают свободно эволюционировать в течение определенного времени. Затем, благодаря возможности квантового компьютера управлять состоянием кубитов, их волновые функции преобразовывались — в частности, проходили процедуру сопряжения. В результате получалось специальное состояние, которое после свободной эволюции в течение такого же времени превращалось в исходное основное.

Тем не менее, из-за неидеальности оборудования и неустранимых ошибок при работе и считывании информации, конечное состояние не всегда полностью соответствовало исходному. Так при работе с двумя кубитами физикам удалось достичь точного соответствия в 85% случаев, а с тремя в 49% по результатам 8192 реализаций каждого варианта.


В заключении авторы пишут, что их работа открывает новые возможности для исследования природы стрелы времени в случае реальных квантовых систем. Ученые отмечают, что сложность проведения подобных манипуляций над рассмотренными квантовыми системами полиномиально увеличивается с ростом количества необходимых для их полного описания параметров. Однако в более реалистичных ситуациях с учетом взаимодействий эта зависимость может оказаться иной, что будет определять характерные времена.

Для описания тонкостей работы квантовых устройств мы делали целую серию материалов под названием «Квантовая азбука». Конкретно про устройство и возможности квантовых компьютеров мы также готовили текст в рамках этого цикла.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.