Физики разработали способ контроля квантовых систем, который предоставляет возможность манипулировать «стрелой времени» — основополагающим понятием, описывающим естественное течение времени только в одном направлении.
В повседневной классической физике измерение практически не оказывает влияния на наблюдаемый объект. Квантовые системы ведут себя совершенно иначе — измерение случайным образом меняет их состояние, формируя стрелу времени. Однако большинство основных физических законов в квантовом мире симметричны по отношению к времени: проще говоря, уравнения одинаково хорошо «работают», если заменить направление времени на обратное.
«В отличие от явлений, которые мы наблюдаем вокруг нас, на микроскопическом уровне большинство основных законов физики рассматривают движение времени вперед и назад как физически возможное», — объясняет физик Луис Педро Гарсиа-Пинтос. «Другими словами, эти законы физики симметричны при обращении времени; уравнения работают одинаково хорошо, если вы обратите время. Для квантовых систем, функционирующих на этом микроскопическом уровне, созданные нами инструменты могут манипулировать воспринимаемой стрелой времени, что приводит к удивительным, новым способам контроля квантовых систем».
Чтобы преодолеть эффект измерения, специалисты Лос-Аламосской национальной лаборатории объединили измерения с управляемой обратной связью и смогли формировать так называемые стохастические траектории, согласующиеся с «движением времени назад». Иными словами, система в эксперименте эволюционировала так, как будто ученые «прокручивали» квантовый процесс в обратную сторону.
Ключевым инструментом стал специально разработанный гамильтониан управления — набор точно рассчитанных полей и импульсов, которые имитируют влияние квантовых измерений на систему. Встроенный в контур обратной связи, такой гамильтониан может ослаблять, усиливать или даже «перекручивать» эффекты измерений. В результате квантовая система может двигаться по траекториям с «растянутой», размытой или перевернутой в обратную сторону стрелой времени.
Исследования американских физиков тесно связаны с классическим мысленным экспериментом Максвелла о «демоне», который, отбирая быстрые и медленные частицы, как бы снижает энтропию и ставит под сомнение второе начало термодинамики. В настоящее время мы понимаем, что само получение и обработка информации также имеют термодинамическую цену, и закон не нарушается. Квантовый «демон» команды Лос-Аламоса использует информацию о состоянии системы и результатах измерений для создания столь же необычного поведения — фактически «разворачивая» естественную стрелу времени в рамках квантовой динамики.
Новый подход позволяет не только «играть» со временем, но и управлять потоками энергии. Авторы продемонстрировали, что можно создать непрерывный «двигатель измерений», который извлекает полезную энергию непосредственно из процесса наблюдения за квантовой системой. В такой модели сами квантовые измерения становятся термодинамическим ресурсом: их можно использовать для выполнения работы — например, для запуска другого квантового процесса или зарядки «квантовой батареи».
Следующим этапом станет экспериментальная реализация этих идей на сверхпроводящих кубитах. Такие устройства уже способны быстро обрабатывать обратную связь и эффективно фиксировать квантовые состояния, а также они уже служили платформой для квантовых версий «демона» Максвелла. В будущем ученые планируют применять новые протоколы для более точной подготовки квантовых состояний, что крайне важно для квантовых компьютеров и сенсоров.
Фото: hi-tech.mail.ru