Fysiker har länge försökt förstå omvärldens oåterkallelighet och har krediterat dess uppkomst till tidssymmetriska, fysikens grundläggande lagar. Enligt kvantmekaniken, den slutliga irreversibiliteten av konceptuell tidsomvändning kräver extremt invecklade och osannolika scenarier som osannolikt spontant uppstår i naturen. Fysiker hade tidigare visat att även om tidsreversibilitet är exponentiellt osannolik i en naturlig miljö - är det möjligt att designa en algoritm för att artificiellt vända en tidspil till ett känt eller givet tillstånd inom en IBM kvantdator. Dock, denna version av den omvända tidspilen omfattade bara ett känt kvanttillstånd och jämförs därför med kvantversionen av att trycka på bakåtspolning på en video för att "vända tidens flöde".

I en ny rapport som nu publiceras i Kommunikationsfysik , Fysiker A.V. Lebedev och V.M. Vinokur och kollegor inom material, fysik och avancerad teknik i USA och Ryssland, byggt på deras tidigare arbete för att utveckla en teknisk metod för att vända den tidsmässiga utvecklingen av ett godtyckligt okänt kvanttillstånd. Det tekniska arbetet kommer att öppna nya vägar för allmänna universella algoritmer för att skicka den tidsmässiga utvecklingen av ett godtyckligt system bakåt i tiden. Detta arbete beskrev endast den matematiska processen med tidsomkastning utan experimentella implementeringar.

Tidens pil och att utveckla ett tidsreverseringsprotokoll

Tidens pil kommer från att uttrycka tidens riktning i en singulär rutt i förhållande till termodynamikens andra lag, vilket innebär att entropitillväxt härrör från energiförlust av systemet till miljön. Forskare kan därför överväga energiförlusten i förhållande till systemets intrassling med miljön. Tidigare forskning fokuserade enbart på tidspilens kvantperspektiv och på att förstå effekterna av Landau-Neumann-Wigners hypotes för att kvantifiera komplexiteten i att vända tidens pil på en IBM kvantdator. I det nuvarande arbetet, forskarna föreslår att man använder en termodynamisk reservoar vid begränsade temperaturer för att bilda ett stokastiskt bad med hög entropi för att värma ett givet kvantsystem och experimentellt öka termisk störning eller entropi i systemet. Dock, experimentellt, IBM-datorerna stöder inte termalisering, som utgör det första steget i den nu föreslagna cykeln.

I teorin, närvaron av den termiska reservoaren gjorde det oväntat möjligt att förbereda termiska högtemperaturtillstånd för ett extra (alternativt) kvantsystem någon annanstans, styrs av samma Hamiltonian (en operator som motsvarar summan av kinetisk energi och potentiella energier för alla partiklar i systemet). Detta gjorde det möjligt för Lebedev och Vinokur att matematiskt utforma en operatör för bakåttidsevolution för att vända den kronologiska dynamiken i ett givet kvantsystem.

Universell procedur och hjälpsystemet

Teamet definierade den universella tidsomvändningsprocessen för ett okänt kvanttillstånd med hjälp av densitetsmatrisen för ett kvantsystem (ett blandat tillstånd); att beskriva omkastning av det tidsmässiga systemets evolution för att återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Kvanttillståndet för det nya systemet kan förbli okänt när man implementerar pilen för tidsomkastning. I motsats till det tidigare protokollet för tidsreversering av ett känt kvanttillstånd, det initiala tillståndet behövde inte heller vara i ett rent okorrelerat tillstånd och kunde förbli i ett blandat tillstånd och korrelera till tidigare interaktioner med omgivningen. Teamet noterade minskad tidsreverseringskomplexitet för ett blandat högentropitillstånd i systemet.

Lebedev et al. hänvisade till det vändningsförfarande som tidigare beskrivits av S. Lloyd, Mohseni och Rebentrost (LMR -procedur) för att konstruera eller kartlägga den initiala densitetsmatrisen. LMR-förfarandet betraktade det kombinerade arrangemanget av systemet i fråga och ett komplement för att åstadkomma reversibel beräkning. Det experimentella systemet kommer att utrustas med ett termodynamiskt bad för att termalisera ancillaen och ge det önskade tillståndet för omvänd evolution. Ju varmare systemet är, desto mer kaotiskt skulle det bli. Genom att använda en värmebehållare för att utsätta hjälpsystemet för en extremt hög temperatur, Lebedev et al. sikta paradoxalt nog på att experimentellt observera det primära systemets kalla och ordnade förflutna med hjälp av LMR-formeln. Författarna menar att en universell tidsomvändningsalgoritm kan köra en beräkning i omvänd riktning, utan ett specifikt kvanttillstånd att spola tillbaka till, så länge som algoritmen underlättar tidsreversering till dess ursprungspunkt.

Beräkningskomplexitet för tidsreverseringsproceduren

Arbetet beskrev endast den matematiska analysen av tidsomkastning utan att specificera experimentella implementeringar. När du tränar tidsomkastning, det föreslagna systemet fortsatte att upprätthålla den framåtriktade utvecklingen som styrdes av dess egen Hamiltonian. Den beräkningsmässiga komplexiteten av tidsomkastning för ett okänt kvanttillstånd var proportionell mot kvadraten på systemets Hilbert-rymddimension (ett abstrakt vektorrum). För att åstadkomma detta i praktiken, det experimentella systemet kommer att kräva ett naturligt system som utvecklas under en okänd Hamiltonian tillsammans med termalisering, som kvantdatorer inte stöder, ihopkopplad med universella kvantportar för att uppnå tidsreversering. Som ett resultat, praktiskt genomförande av detta arbete kommer att kräva en uppgradering av befintliga kvantdatorer för att möta de angivna kraven.

En väg för att uppgradera den befintliga designen av kvantchips

Lebedev et al. strävar därför efter att uppgradera den befintliga utformningen av kvantchips för att uppnå en uppsättning interagerande kvantbitar (kvantbitar) som kan termalisera on-demand i en miljö med hög temperatur. För att åstadkomma detta, supraledande qubits kan kopplas till en överföringsledning där hög temperatur termisk strålning matas för att ställa qubitsna till högtemperaturläge. Därefter, de kommer att kräva en andra uppsättning qubits som kan lagra ett kvanttillstånd som liknar den ursprungliga uppsättningen qubits. När den ursprungliga uppsättningen qubits sedan experimentellt termaliseras för att implementera den gemensamma LMR-utvecklingen, efterföljande qubits kommer att kunna genomgå tidsomvänd dynamik under samma Hamiltonian för att nå det ursprungliga tillståndet. Om det implementeras korrekt, den föreslagna mekanismen kommer också att underlätta felkorrigering av en uppgraderad kvantdator för att bekräfta dess korrekta funktion. Lebedev et al. Tänk på att implementera proceduren på nya datorer med termaliserade qubits på begäran.

På det här sättet, Lebedev och Vinokur demonstrerade proceduren för tidsomvändning av ett okänt blandat kvanttillstånd. Processen är beroende av att utföra LMR-protokollet och att det finns ett ancillasystem, vars dynamik kan styras av samma Hamiltonian som Hamiltonian i det omvända systemet. För att utföra reverseringsproceduren måste LMR-protokollet appliceras sekventiellt på det gemensamma tillståndet för systemet och ancilla, beredd i ett termiskt tillstånd. Arbetet utvecklade en formel för att markera antalet cykler som bör upprepas för att vända tillståndet för ett givet system mot tidigare tillstånd i det förflutna. Detta antal kommer att bero på systemets komplexitet och hur långt tillbaka i tiden det är tänkt att gå. När du implementerar tidsförskjutningsprotokollet, driftshastigheten för LMR -proceduren bör vara tillräckligt hög, för att överskrida framåttidsutvecklingen av det omvända systemet.

© 2020 Science X Network