Час йде в одному напрямку: вперед. Маленькі хлопчики стають старшими, але не навпаки; чашки розбиваються, але ніколи не стихійно збираються. Ця жорстока і незмінна властивість Всесвіту, що називається «стрілою часу», є принципово наслідком другого закону термодинаміки, який наказує, що системи завжди будуть ставати більш невпорядкованими з часом. Але останнім часом дослідники США та Росії трохи похилили цю стрілку - принаймні, для субатомних частинок.
У новому дослідженні, опублікованому у вівторок (12 березня) у журналі Scientific Reports, дослідники маніпулювали стрілкою часу за допомогою дуже крихітного квантового комп'ютера, виготовленого з двох квантових частинок, відомих як кубіти, які виконували обчислення.
У субатомній шкалі, де діють незвичайні правила квантової механіки, фізики описують стан систем за допомогою математичної конструкції, що називається хвильовою функцією. Ця функція є вираженням усіх можливих станів, у яких система могла знаходитися - навіть у випадку частинки, усіх можливих локацій, у яких вона могла б знаходитися, - та ймовірності того, що система перебуває в будь-якому з цих станів у будь-який момент часу . Взагалі, з плином часу хвильові функції поширюються; можливе розташування частинок може бути далі, якщо ви зачекаєте годину, ніж якщо ви чекаєте 5 хвилин.
Скасувати розповсюдження хвильової функції - це ніби намагатися повернути пролите молоко назад у пляшку. Але саме це досягли дослідники в цьому новому експерименті.
"В основному немає шансів, що це станеться самостійно", - розповів Live Science головний науковий співробітник Валерій Вінокур, фізик Національної лабораторії Аргонна в Іллінойсі. "Це така приказка, де, якщо дати мавпі друкарській машинці і багато часу, він може написати Шекспіра". Іншими словами, це технічно можливо, але настільки малоймовірно, що це може бути неможливим.
Як вчені зробили по суті неможливе? Ретельно контролюючи експеримент.
"Вам дійсно потрібно багато контролю, щоб всі зірвані шматочки чашки повернулися разом", - сказав Стівен Бартлетт, професор фізики з Сіднейського університету, "Live Science". Бартлетт не брав участі в дослідженні. "Ви повинні мати багато контролю над системою, щоб змусити її робити ... і квантовий комп'ютер - це те, що дозволяє нам мати величезний контроль над імітованою квантовою системою".
Дослідники використовували квантовий комп'ютер для імітації однієї частинки, її хвильова функція поширювалася з часом, як пульсація у ставку. Потім вони написали алгоритм у квантовому комп'ютері, який змінив еволюцію часу кожного окремого компонента хвильової функції, по суті відтягнувши цю пульсацію назад у частинку, яка її створила. Вони здійснили цей подвиг, не збільшуючи ентропію чи розлад у інших місцях Всесвіту, здавалося б, протиставляючи стрілку часу.
Чи означає це, що дослідники створили машину часу? Чи порушили вони закони фізики? Відповідь не на обидва ці питання. Другий закон термодинаміки говорить, що порядок Всесвіту повинен зменшуватися з часом, але не те, що він ніколи не може залишатися колишнім у дуже особливих випадках. І цей експеримент був досить малим, досить коротким і досить контрольованим, щоб Всесвіт ні набирала, ні втрачала енергію.
"Відправляти хвилі на ставку дуже важко і складно", як тільки вони були створені, сказав Вінокур, "але ми побачили, що це можливо в квантовому світі, в дуже простому випадку". Іншими словами, це було можливо, коли вони використовували керування, надане їм квантовим комп'ютером, щоб скасувати вплив часу.
Після запуску програми система повернулася до початкового стану 85 відсотків часу. Однак коли був введений третій кубіт, експеримент вдався лише в 50 відсотків часу. Дослідники зазначають, що складність системи, ймовірно, надто зросла з третім кубітом, що ускладнює квантовому комп'ютеру підтримку контролю над усіма аспектами системи. Без цього контролю ентропію не можна перевірити, і тому зворотний час є недосконалим. Тим не менш, вони націлені на більші системи та більші квантові комп'ютери для своїх наступних кроків, сказав Вінокур Live Science.
"Робота є приємним внеском у основи фізики", - розповів Live Science Джеймс Вітфілд, професор фізики в Дартмутському коледжі в Нью-Гемпширі, який не брав участі в дослідженні. "Це нагадує нам, що не всі програми квантових обчислень повинні бути орієнтовані на додатки, щоб бути цікавими".
"Саме тому ми будуємо квантові комп'ютери", - сказав Бартлетт. "Це демонстрація того, що квантові комп'ютери можуть дозволити нам моделювати речі, які не повинні відбуватися в реальному світі".
