Вчені розробили новий спосіб управління квантовими системами, який дозволяє зробити їхню поведінку більш відповідною руху часу назад, а не вперед. Дослідження, опубліковане в журналі Physical Review X, представляє протоколи квантового управління, які змінюють "стрілу часу" системи - концепцію, згідно з якою час природно рухається тільки в одному напрямку. Цей підхід зрештою може підтримати нові методи отримання енергії з квантових систем і підготовки квантових станів.
Квантова система, така як група кубітів, підпорядковується правилам квантової механіки, а не класичної фізики. Використовуючи нещодавно розроблені протоколи керування, дослідники можуть придушувати звичайну появу стріли часу або навіть змінювати її видимий напрямок на протилежний, змушуючи квантові процеси виглядати так, ніби вони розвертаються у зворотному напрямку. Для демонстрації методу команда також створила механізм вимірювання, який може витягувати енергію з процесу проведення квантових вимірювань.
"На відміну від явищ, які ми спостерігаємо навколо себе, на мікроскопічному рівні більшість фундаментальних законів фізики розглядають рух часу вперед і назад як фізично можливий", - сказав фізик із Національної лабораторії Лос-Аламоса Луїс Педро Гарсія-Пінтос. "Іншими словами, ці закони фізики симетричні щодо інверсії часу; рівняння працюють так само добре, якщо ви звертаєте час назад. Для квантових систем, які працюють на мікроскопічному рівні, створені нами інструменти можуть маніпулювати сприйманою стрілою часу, що призводить до дивовижних, нових способів управління квантовими системами".
Інженерне проєктування квантової поведінки зі зворотним часом
У повсякденній класичній фізиці проведення вимірювань мало впливає на об'єкт, що спостерігається. Квантові системи поводяться зовсім інакше. Їх випадкове вимірювання змінює їхній стан, природно створюючи стрілу часу.
Щоб подолати цей ефект, дослідники об'єднали вимірювання зі зворотним зв'язком для отримання стохастичних траєкторій зі зворотним часом. Це дозволило квантовим системам слідувати шляхами, які здаються узгодженими зі зворотним плином часу.
Команда досягла цього, розробивши керівний гамільтоніан - ретельно сплановану послідовність полів та імпульсів, яка відтворює ефекти квантових вимірювань. При включенні до системи зворотного зв'язку гамільтоніан може компенсувати, посилювати або навіть надмірно коригувати обурення, викликані вимірами. В результаті система може генерувати траєкторії, що відповідають розтягнутим, розмитим або інвертованим до стріли часу.
Квантова версія демона Максвелла
Робота також заснована на знаменитому уявному експерименті ХІХ століття, відомому як «демон Максвелла». У цьому сценарії гіпотетичний спостерігач вибірково сортує гарячі та холодні частинки, очевидно, зменшуючи ентропію та кидаючи виклик другому закону термодинаміки, який свідчить, що ентропія природно збільшується або залишається постійною. (Пізніше фізика показала, що другий закон не порушується, якщо врахувати всі джерела термодинамічних витрат.)
Квантовий «демон» команди з Лос-Аламосу використовує інформацію про стан квантової системи та результати вимірювань для відтворення аналогічної незвичайної поведінки, ефективно звертаючи назад природну стрілу часу системи.
Вилучення енергії з квантових вимірів
Нові методи керування також дозволяють дослідникам впливати на те, як енергія входить у квантову систему та виходить із неї. Ця можливість може забезпечити роботу системи безперервних вимірювань, яка отримує корисну енергію безпосередньо з процесу моніторингу. У цій концепції квантові вимірювання стають термодинамічним ресурсом, який можна використовувати для виконання роботи, наприклад, для запуску іншого квантового процесу або зберігання енергії у квантовій батареї.
У перспективі дослідники планують експериментально продемонструвати процеси вимірювання на основі гамільтоніана для квантового керування зі зворотним зв'язком з використанням надпровідних кубітів. Ці системи забезпечують швидкий зворотний зв'язок, високоефективне детектування і вже використовувалися для реалізації квантових версій демона Максвелла. У майбутніх дослідженнях нові методи також будуть використані для розробки покращених протоколів підготовки квантових станів.
