Forskare från Moscow Institute of Physics and Technology slog sig ihop med kollegor från USA och Schweiz och återgav tillståndet för en kvantdator en bråkdel av en sekund i det förflutna. De beräknade också sannolikheten för att en elektron i ett tomt interstellärt utrymme spontant kommer att resa tillbaka till sitt nära förflutna. Studien publiceras i Vetenskapliga rapporter .

"Detta är en i en serie artiklar om möjligheten att bryta mot termodynamikens andra lag. Den lagen är nära besläktad med föreställningen om tidens pil som anger tidens enkelriktade riktning från det förflutna till framtiden, " sa studiens huvudförfattare Gordey Lesovik, som leder Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology vid MIPT.

"Vi började med att beskriva en så kallad lokal perpetual motion-maskin av det andra slaget. Sedan, i december, vi publicerade ett papper som diskuterar brott mot den andra lagen via en enhet som kallas en Maxwells demon, ", sa Lesovik. "Den senaste uppsatsen närmar sig samma problem från en tredje vinkel:vi har på konstgjord väg skapat ett tillstånd som utvecklas i en riktning motsatt den för tidens termodynamiska pil."

Vad gör framtiden annorlunda från det förflutna

De flesta fysikens lagar gör ingen skillnad mellan framtiden och det förflutna. Till exempel, låt en ekvation beskriva kollisionen och returen av två identiska biljardbollar. Om en närbild av den händelsen spelas in med en kamera och spelas upp omvänt, det kan fortfarande representeras av samma ekvation. Dessutom, det går inte att skilja från inspelningen om den är manipulerad. Båda versionerna ser rimliga ut. Det verkar som om biljardbollarna trotsar den intuitiva tidskänslan.

Dock, tänk dig att spela in en köboll som bryter pyramiden, biljardbollarna sprider sig åt alla håll. Isåfall, det är lätt att skilja det verkliga scenariot från omvänd uppspelning. Det som får det senare att se så absurt ut är vår intuitiva förståelse av termodynamikens andra lag – ett isolerat system förblir antingen statiskt eller utvecklas mot ett tillstånd av kaos snarare än ordning.

De flesta andra fysikens lagar hindrar inte rullande biljardbollar från att samlas till en pyramid, infunderat te från att flöda tillbaka in i tepåsen, eller en vulkan från "utbrott" omvänt. Men dessa fenomen observeras inte, eftersom de skulle kräva ett isolerat system för att anta ett mer ordnat tillstånd utan ingripande utifrån, som strider mot den andra lagen. Arten av denna lag har inte förklarats i detalj, men forskare har gjort stora framsteg när det gäller att förstå de grundläggande principerna bakom det.

Spontan tidsreversering

Kvantfysiker från MIPT bestämde sig för att kontrollera om tiden spontant kunde vända sig själv åtminstone för en enskild partikel och för en liten bråkdel av en sekund. Det är, istället för att kollidera med biljardbollar, de undersökte en ensam elektron i det tomma interstellära rymden.

"Anta att elektronen är lokaliserad när vi börjar observera den. Det betyder att vi är ganska säkra på dess position i rymden. Kvantmekanikens lagar hindrar oss från att veta den med absolut precision, men vi kan skissera ett litet område där elektronen är lokaliserad, " säger studiens medförfattare Andrey Lebedev från MIPT och ETH Zürich.

Fysikern förklarar att utvecklingen av elektrontillståndet styrs av Schrödingers ekvation. Även om det inte gör någon skillnad mellan framtiden och det förflutna, området i rymden som innehåller elektronen kommer att spridas ut mycket snabbt. Det är, systemet tenderar att bli mer kaotiskt. Osäkerheten om elektronens position ökar. Detta är analogt med den ökande oordningen i ett storskaligt system - som ett biljardbord - på grund av termodynamikens andra lag.

"Dock, Schrödingers ekvation är reversibel, " tillägger Valerii Vinokur, en medförfattare till tidningen, från Argonne National Laboratory, U.S. "Matematiskt, det betyder att under en viss transformation som kallas komplex konjugering, ekvationen kommer att beskriva en "utsmetad" elektron som lokaliseras tillbaka till ett litet område av rymden under samma tidsperiod." Även om detta fenomen inte observeras i naturen, det skulle teoretiskt kunna hända på grund av en slumpmässig fluktuation i den kosmiska mikrovågsbakgrunden som genomsyrar universum.

Teamet satte sig för att beräkna sannolikheten för att observera en elektron "utsmetad" under en bråkdel av en sekund spontant lokaliserad till dess senaste förflutna. Det visade sig att även under hela universums livstid – 13,7 miljarder år – observerade 10 miljarder nylokaliserade elektroner varje sekund, den omvända utvecklingen av partikelns tillstånd skulle bara ske en gång. Och även då, elektronen skulle inte färdas mer än bara en tiomiljarddels sekund in i det förflutna.

Storskaliga fenomen som involverar biljardbollar och vulkaner utspelar sig uppenbarligen på mycket längre tidsskalor och har ett häpnadsväckande antal elektroner och andra partiklar. Detta förklarar varför vi inte ser gamla människor som blir yngre eller en bläckfläck som separerar från papperet.

Vända tid på begäran

Forskarna försökte sedan vända tiden i ett fyrastegsexperiment. Istället för en elektron, de observerade tillståndet för en kvantdator gjord av två och senare tre grundläggande element som kallas supraledande qubits.

• Steg 1:Beställning. Varje qubit initieras i grundtillståndet, betecknas som noll. Denna högordnade konfiguration motsvarar en elektron lokaliserad i en liten region, eller ett ställ med biljardbollar innan paus.
• Steg 2:Nedbrytning. Ordern är förlorad. Precis som elektronen är utsmetad över ett allt större område av rymden, eller så är stativet trasigt på biljardbordet, qubitarnas tillstånd blir ett allt mer komplext föränderligt mönster av nollor och ettor. Detta uppnås genom att kort lansera evolutionsprogrammet på kvantdatorn. Faktiskt, en liknande nedbrytning skulle uppstå av sig själv på grund av interaktioner med miljön. Dock, det kontrollerade programmet för autonom evolution kommer att möjliggöra det sista steget av experimentet.
• Steg 3:Tidsomkastning. Ett speciellt program modifierar tillståndet för kvantdatorn på ett sådant sätt att den sedan skulle utvecklas "bakåt, " från kaos mot ordning. Denna operation är besläktad med den slumpmässiga mikrovågsbakgrundsfluktuationen i fallet med elektronen, men den här gången, det är medvetet framkallat. En uppenbart långsökt liknelse för biljardexemplet skulle vara att någon ger bordet en perfekt uträknad kick.
• Steg 4:Regenerering. Evolutionsprogrammet från andra etappen lanseras igen. Förutsatt att "sparken" har levererats framgångsrikt, programmet resulterar inte i mer kaos utan spolar tillbaka tillståndet för qubitarna tillbaka till det förflutna, hur en utsmetad elektron skulle lokaliseras eller biljardbollarna skulle följa sina banor i omvänd uppspelning, så småningom bildar en triangel.

Forskarna fann att i 85 procent av fallen, två-qubit-kvantdatorn återvände till det ursprungliga tillståndet. När tre qubits var inblandade, fler fel inträffade, vilket resulterar i en framgångsfrekvens på cirka 50 procent. Enligt författarna, dessa fel beror på brister i den faktiska kvantdatorn. Allt eftersom mer sofistikerade enheter designas, felfrekvensen förväntas minska.

Intressant, själva algoritmen för tidsomkastning kan visa sig vara användbar för att göra kvantdatorer mer exakta. "Vår algoritm kan uppdateras och användas för att testa program skrivna för kvantdatorer och eliminera brus och fel, Lebedev förklarade.