657
Уявіть собі процес, який виглядає так, ніби його хтось прокрутив «назад», як стару плівку. Команда фізиків показала, що в квантовому світі можна саме так «підкрутити» події: зробити так, щоб поведінка системи була більше схожа на рух у зворотному напрямку часу, ніж уперед. Про це розповідає матеріал на SciTechDaily.
Вони розробили спеціальні протоколи керування, які приглушують або навіть інвертують видиму стрілу часу в квантових системах. І найдивніше: для цього достатньо правильно поєднати вимірювання, зворотний зв’язок і керувальні поля.
Що відомо коротко
- Вчені створили квантові протоколи, які можуть послаблювати або інвертувати видиму стрілу часу в системі.
- Вони використовують вимірювання та зворотний зв’язок, щоб будувати траєкторії, схожі на еволюцію «назад у часі».
- Команда спроєктувала двигун на основі вимірювань, який видобуває енергію з самого факту спостереження квантової системи.
- Ключовим інструментом став спеціальний керувальний гамільтоніан — послідовність полів і імпульсів, що імітує вплив вимірювань.
- Майбутні експерименти планують проводити на надпровідних кубітах, де вже демонструвалися квантові версії «демона Максвелла».
Як квантові вимірювання «ламають» звичну стрілу часу
У повсякденному світі час поводиться односторонньо: яйце розбивається, але не збирається назад у шкаралупу. Це пов’язано з другим законом термодинаміки: ентропія, міра безладу, з часом зростає або залишається сталою.
На мікроскопічному рівні все не так однозначно. Багато фундаментальних рівнянь фізики, зокрема квантової механіки, симетричні щодо обернення часу: якщо «перемотати» їх назад, вони залишаться коректними. Тобто самі закони не забороняють рух «назад».
У квантових системах, наприклад у наборах кубітів, вимірювання відіграють особливу роль. Вони не просто «дивляться» на систему, а змінюють її стан. Саме ці випадкові зміни від вимірювань допомагають формувати стрілу часу на квантовому рівні, роблячи минуле і майбутнє відмінними.
Дослідники вирішили використати цю особливість не як перешкоду, а як інструмент. Якщо вимірювання створюють стрілу часу, то, керуючи ними й додаючи зворотний зв’язок, можна цю стрілу перекроїти.
Як фізики «перемотують» квантові траєкторії
Команда побудувала так званий керувальний гамільтоніан — запрограмовану послідовність полів і імпульсів, яка може імітувати вплив вимірювань на систему. Це як складна партитура для оркестру, де кожен імпульс — нота, а вся послідовність задає «мелодію» еволюції системи.
Поєднавши цей гамільтоніан із зворотним зв’язком, дослідники навчилися:
- компенсувати (скасовувати) збурення від вимірювань;
- посилювати їхній ефект;
- або навіть «перекориговувати» його так, щоб траєкторія системи виглядала як рух у зворотному часі.
У результаті вони отримали стохастичні (випадкові) траєкторії, які математично й статистично більше відповідають сценарію «час тече назад», ніж звичному напрямку вперед. Стріла часу в таких процесах може бути розтягнута, розмита або інвертована.
Цей підхід нагадує відомий мисленнєвий експеримент XIX століття — «демон Максвелла». Там уявний демон сортує гарячі й холодні частинки, начебто зменшуючи ентропію й порушуючи другий закон термодинаміки. Сучасна фізика показала, що закон не порушується, якщо врахувати всі енергетичні витрати, зокрема на інформацію.
Квантовий «демон» у роботі команди діє схоже: він використовує інформацію про стан системи та результати вимірювань, щоб запускати незвичні процеси, які виглядають як обертання стріли часу у квантовій системі.
Двигун, що живиться від спостереження
Ще один несподіваний наслідок цих методів — можливість змінювати, як енергія входить у квантову систему та виходить з неї. На цій основі дослідники спроєктували двигун без палива в класичному сенсі: він отримує енергію з самого факту безперервного квантового вимірювання.
У такій схемі вимірювання перетворюються на термодинамічний ресурс. Інформація, яку ми здобуваємо, і збурення, які ми вносимо, стають «паливом», що може виконувати корисну роботу — наприклад, живити інший процес або заряджати умовну «квантову батарею».
Це не означає порушення законів термодинаміки: усі витрати, пов’язані з обробкою інформації та керуванням, мають бути враховані. Але сама ідея, що спостереження може бути джерелом енергії, радикально змінює інтуїцію про роль вимірювань у фізиці.
Навіщо це потрібно і що буде далі
Розроблені інструменти — це новий спосіб керувати квантовими системами, де стріла часу стає гнучким параметром, а не жорстким обмеженням. Це може бути корисно для підготовки складних квантових станів, де потрібні точні траєкторії еволюції.
У майбутніх роботах команда планує експериментально перевірити гамільтоніан-подібні процеси вимірювання для квантового зворотного зв’язку. Одним із перспективних майданчиків є надпровідні кубіти — платформа, де вже демонструвалися квантові версії «демона Максвелла» і де можливі швидкий зворотний зв’язок та дуже ефективне детектування.
У подальших дослідженнях ці ж техніки використовують для розробки протоколів підготовки квантових станів — тобто для точного «налаштування» квантових систем у потрібні конфігурації.
FAQ
Це означає, що час у природі справді може текти назад?
Ні. Йдеться не про буквальне «перемотування» Всесвіту, а про керування квантовими процесами так, щоб їхня статистика й траєкторії більше відповідали сценарію зворотного часу. Закони фізики при цьому не порушуються, а стріла часу радше «переформатовуються» в межах конкретної системи.
Чи порушує це другий закон термодинаміки?
За сучасним розумінням — ні. Як і в історії з демоном Максвелла, якщо врахувати всі джерела енергетичних і інформаційних витрат, другий закон залишається чинним. Нові протоколи лише показують, як тонко можна маніпулювати процесами на квантовому рівні.
Чи можна буде використати такі квантові двигуни в реальних технологіях?
Поки що це теоретичні та концептуальні розробки. Але вони вказують на можливість створення пристроїв, де інформація й вимірювання стають повноцінним ресурсом. У перспективі це може вплинути на квантові батареї, сенсори та елементи квантових комп’ютерів.
Чому ми не бачимо подібного ефекту в повсякденному житті?
У макроскопічному світі беруть гору процеси з величезною кількістю частинок і великою ентропією, де випадкові флуктуації згладжуються, а стріла часу стає однозначною. Квантові ефекти, на яких базуються ці протоколи, дуже крихкі й проявляються лише в добре ізольованих, контрольованих системах.
Якщо раніше час здавався нам непорушною односторонньою вулицею, то квантові експерименти показують, що на мікрорівні це радше мережа хитрих об’їздів і розворотів — і від того, як ми спостерігаємо й керуємо системою, може залежати, якою дорогою вона піде.
Фізики навчилися змінювати стрілу часу в квантових системах з’явилася спочатку на Цікавості.
