Фізики навчились відтворювати зворотний плин часу в квантових системах

Група фізиків розробила новий метод управління квантовими системами, що дозволяє відтворювати динаміку, за якої система поводиться так, ніби стріла часу спрямована у зворотний бік. Автори дослідження наголошують: йдеться не про справжню подорож у часі, а про створення експериментальних умов, за яких квантова система еволюціонує в протилежному напрямку.

У звичному макросвіті всі процеси мають чіткий однонаправлений характер — рослини ростуть, зірки вибухають наприкінці свого життя, розбиті предмети не збираються назад. Цю властивість природи називають стрілою часу. Однак на мікроскопічному рівні фундаментальні рівняння квантової механіки є симетричними відносно часу й однаково описують еволюцію системи як уперед, так і назад.

Квантові системи, зокрема кубіти, підкоряються законам квантової, а не класичної фізики. Математичний опис допускає існування зворотної динаміки за певних умов: система починає еволюцію зі стану, що відповідає завершенню прямого процесу, розвивається під дією того самого гамільтоніана, а деякі фізичні величини — наприклад, імпульс або магнітне поле — змінюють знак.

Фізик Луїс Педро Гарсія-Пінтос з Лос-Аламоської національної лабораторії пояснює: більшість фундаментальних законів фізики на мікрорівні допускають рух часу в обох напрямках. Саме тому дослідники вирішили перевірити, чи можна відтворити подібну зворотну динаміку експериментально. Для цього вони об’єднали квантові вимірювання із системою зворотного зв’язку: після кожного вимірювання стан системи коригується й спрямовується по заздалегідь заданій траєкторії.

Таке поєднання дозволяє формувати стохастичні траєкторії, що відповідають динаміці зі зворотною стрілою часу. Для практичної перевірки ідеї дослідники використали спеціальний управляючий гамільтоніан — розраховану послідовність електромагнітних полів та імпульсів. У поєднанні зі зворотним зв’язком він здатен компенсувати вплив вимірювань, посилювати зміни або навмисно їх перевищувати, формуючи різні режими еволюції, включаючи процеси з розтягнутою, розмитою або умовно зверненою стрілою часу.

Автори вважають, що розроблений метод відкриває можливості не лише для управління квантовою динамікою, а й для контролю потоків енергії в системі. У перспективі це може стати основою для нових способів накопичення енергії в квантових батареях і навіть для створення своєрідного двигуна безперервних вимірювань, який видобуватиме енергію безпосередньо з процесу квантового спостереження.

Наступним кроком стане експериментальна перевірка методу на надпровідних кубітах, що забезпечують високу швидкість зворотного зв’язку та ефективну реєстрацію квантових станів. Дослідники розраховують, що технологія виявиться корисною не лише для вивчення фундаментальних властивостей квантової механіки, а й для вдосконалення майбутніх квантових обчислювальних систем.