Vědci dokázali, že kvantový čas může plynout zpět: ohromující průlom ve fyzice

Foto: AI/ScienceDaily.com

Úvod do kvantového času

Vědci z Los Alamos National Laboratory vytvořili kvantové kontrolní techniky, které mohou způsobit, že systém vypadá, jako by běžel zpět v čase. Přesným řízením kvantových měření dokážou přetvořit směr času systému a dokonce získat energii z měřicího procesu samotného. Tento průlom by mohl vést k výkonnějším kvantovým počítačům, kvantovým bateriím a dalším pokročilým technologiím.

Autor původního článku: redakce

Reverzace kvantového šípu času

Výzkumníci učinili významný krok směrem k reverzaci kvantového šípu času a objevili překvapivý nový způsob, jak při tom získávat energii. Vědci vyvinuli nový způsob řízení kvantových systémů, který může způsobit, že jejich chování vypadá konzistentněji s časem pohybujícím se zpět než vpřed. Výzkum, publikovaný v časopise Physical Review X, představuje kvantové kontrolní protokoly, které přetvářejí „šíp času“ systému, koncept, že čas přirozeně plyne pouze jedním směrem.

Praktické aplikace a důsledky

Přístup by mohl nakonec podpořit nové metody pro získávání energie z kvantových systémů a přípravu kvantových stavů. Kvantový systém, jako je skupina qubitů, se řídí pravidly kvantové mechaniky spíše než klasické fyziky. Pomocí nově vyvinutých kontrolních protokolů mohou výzkumníci potlačit obvyklý vznik šípu času nebo dokonce zvrátit jeho zjevný směr, což způsobí, že kvantové procesy vypadají, jako by se odehrávaly zpět.

Jako demonstraci techniky tým také vytvořil měřicí motor, který může získávat energii z aktu provádění kvantových měření. „Na rozdíl od jevů, které pozorujeme kolem nás, na mikroskopické úrovni většina základních zákonů fyziky vidí pohyb vpřed a vzad v čase jako fyzicky možný,“ uvedl fyzik Luis Pedro García-Pintos z Los Alamos National Laboratory. „Jinými slovy, tyto fyzikální zákony jsou symetrické při obrácení času; rovnice fungují stejně dobře, pokud čas obrátíte. Pro kvantové systémy, které fungují na této mikroskopické úrovni, nástroje, které jsme vytvořili, mohou manipulovat s vnímaným šípem času, což vede k překvapivým, novým způsobům řízení kvantových systémů.“

Inženýrství časově obráceného kvantového chování

V každodenní klasické fyzice má měření malý vliv na objekt, který je pozorován. Kvantové systémy se chovají velmi odlišně. Měření je náhodně mění jejich stav, což přirozeně vytváří šíp času. Aby tento efekt překonali, výzkumníci kombinovali měření s odezvou, aby vytvořili časově obrácené stochastické trajektorie. To umožnilo kvantovým systémům sledovat cesty, které vypadají konzistentně s časem plynoucím zpět.

Tým toho dosáhl navržením kontrolního Hamiltoniánu, pečlivě naplánované sekvence polí a pulsů, které reprodukují účinky kvantových měření. Když je začleněn do systému zpětné vazby, Hamiltonián může zrušit, posílit nebo dokonce přehnat poruchy způsobené měřeními. Výsledkem je, že systém může generovat trajektorie, které odpovídají nataženým, rozmazaným nebo obráceným šípům času.

Kvantová verze Maxwellova démona

Práce také staví na slavném myšlenkovém experimentu z 19. století známém jako „Maxwellův démon“. V tomto scénáři hypotetický pozorovatel selektivně třídí horké a studené částice, zdánlivě snižuje entropii a zpochybňuje druhý zákon termodynamiky, který říká, že entropie přirozeně roste nebo zůstává konstantní. (Pozdější fyzika ukázala, že druhý zákon není porušen, když se zohlední všechny zdroje termodynamických nákladů.) Kvantový „démon“ týmu z Los Alamos používá informace o stavu kvantového systému a výsledky měření k produkci podobně neobvyklého chování, efektivně obracejícího přirozený šíp času systému.

Získávání energie z kvantových měření

Nové kontrolní metody také umožňují výzkumníkům ovlivnit, jak se energie pohybuje do a z kvantového systému. Tato schopnost by mohla pohánět kontinuální měřicí motor, který získává užitečnou energii přímo z monitorovacího procesu. V tomto rámci se kvantová měření stávají termodynamickým zdrojem, který lze využít k provádění práce, jako je pohánění jiného kvantového procesu nebo ukládání energie v kvantové baterii.

Do budoucna plánují výzkumníci experimentálně demonstrovat procesy měření založené na Hamiltoniánu pro kvantovou zpětnou vazbu pomocí supravodivých qubitů. Tyto systémy podporují rychlou zpětnou vazbu, vysoce efektivní detekci a již byly použity k implementaci kvantových verzí Maxwellova démona. Budoucí studie také použijí nové techniky k vývoji vylepšených protokolů pro přípravu kvantových stavů.

Práce je podporována Ministerstvem energetiky USA, Úřadem pro vědu, programem pokročilého vědeckého výzkumu, projektem Beyond Moore’s Law v rámci programu pokročilé simulace a výpočtů v Los Alamos a Národní vědeckou nadací.

Původní článek: Scientists make quantum time flow backward in stunning physics breakthrough

Mohlo by vás zajímat

• Jednosměrná kvantová synchronizace může zvýšit spolehlivost kvantových počítačů
• Temná energie přežila velkou výzvu, vesmír se stále zrychluje
• Vědci překonali 30letý rekord v supravodivosti za normálního tlaku