Время идет в одном направлении - вперед. Маленькие мальчики становятся стариками, но не наоборот; чашки разбиваются и не восстанавливаются.
Это жестокое и непреложное свойство Вселенной, называемое «стрелой времени», в основе своей является следствием второго закона термодинамики, который диктует, что со временем системы всегда будут иметь тенденцию становиться более неупорядоченными. Но недавно исследователи из США и России немного согнули эту стрелу, по крайней мере, для субатомных частиц.
В новом исследовании ученые манипулировали стрелкой времени с помощью крошечного квантового компьютера из двух квантовых частиц, известных как кубиты, который выполнял вычисления.
На субатомном уровне, где господствуют нечетные правила квантовой механики, физики описывают состояние систем с помощью математической конструкции, называемой волновой функцией. Как правило, с течением времени волновые функции распространяются; возможное местоположение частицы может быть дальше, если вы ждете час, чем, если вы ждете 5 минут.
Отмена распространения волновой функции похожа на попытку вернуть пролитое молоко в бутылку. Но это именно то, что исследователи достигли в этом новом эксперименте.
В принципе, нет никаких шансов, что это произойдет само по себе. Другими словами, технически это возможно, но настолько маловероятно, что вполне может оказаться невозможным. Как ученые сделали невозможное возможным? Тщательно контролируя эксперимент.
Действительно нужно много контроля, чтобы заставить все сломанные кусочки чайной чашки вернуться на место. Чтобы сделать это, нужно обладать большим контролем над системой, а квантовый компьютер - это то, что позволяет иметь огромный контроль над моделируемой квантовой системой.
Исследователи использовали квантовый компьютер для моделирования одной частицы, ее волновая функция распространялась во времени, как рябь в пруду. Затем они написали алгоритм в квантовом компьютере, который перевернул эволюцию времени каждого отдельного компонента волновой функции, по существу, втянув эту рябь обратно в частицу, которая ее создала. Они совершили этот подвиг без увеличения энтропии или беспорядка где-либо еще во Вселенной, по-видимому, бросая вызов стреле времени.
Означает ли это, что исследователи создали машину времени? Нарушили ли они законы физики? Ответ нет на оба вопроса. Второй закон термодинамики гласит, что порядок Вселенной должен со временем уменьшаться. Но это не означает то, что он никогда не может оставаться неизменным в особых случаях. И этот эксперимент был достаточно маленьким, достаточно коротким и достаточно контролируемым, чтобы Вселенная не получала и не теряла энергию.
Очень сложно посылать волны на пруд обратно, по словам исследователей, но это возможно в квантовом мире. Другими словами, это было возможно, когда они использовали контроль, данный им квантовым компьютером, чтобы отменить эффект времени.
После запуска программы система возвращалась в исходное состояние в 85% случаев. Однако, когда был введен третий кубит, эксперимент удался только в 50 процентах случаев. Исследователи заявили, что сложность системы, вероятно, слишком возросла с третьим кубитом, что затруднило квантовому компьютеру поддерживать контроль над всеми аспектами системы.
Без этого контроля энтропия не может удерживаться под контролем, и поэтому обращение времени несовершенно. Тем не менее, ученые нацелены на большие системы и большие квантовые компьютеры для своих следующих шагов.
