Физики заставили время идти назад внутри квантового компьютера

Ученые из МФТИ и их американские и швейцарские коллеги вернули состояние квантового компьютера на долю секунды в прошлое. Кроме того, они вычислили, с какой вероятностью электрон в пустом межзвездном пространстве может самопроизвольно отправиться в свое недавнее прошлое.

Физики заставили время идти назад внутри квантового компьютера МФТИ, Физтех, Наука, Новости науки и техники, Длиннопост, Физика, Квантовый компьютер

«Это одна из серии работ, посвященных возможности нарушить второе начало термодинамики — закон физики, тесно связанный с понятием стрелы времени, различием между прошлым и будущим, — рассказывает ведущий автор исследования Гордей Лесовик, заведующий лабораторией физики квантовых информационных технологий МФТИ, — Сначала мы описали локальный вечный двигатель второго рода. В декабре вышла наша работа, где второе начало локально нарушается за счет специального устройства, демона Максвелла. И вот теперь мы подошли к проблеме с третьей стороны — искусственно создали такое состояние системы, которое само развивается в обратную с точки зрения второго начала сторону».


Законы физики в большинстве своем не делают различия между прошлым и будущим. Например, одним уравнением можно описать столкновение и отскок двух бильярдных шаров одного цвета. Если записать этот процесс на видео и проиграть в обратную сторону, то без дополнительных подсказок неясно, какая версия «настоящая»: из прошлого в будущее или из будущего в прошлое. Уравнение описывает обе ситуации одновременно. У версии «из прошлого в будущее» нет никакого приоритета.


Однако если заснять на видео, как один бильярдный шар разбивает пирамиду и потом проиграть запись обратно, то даже человек, который в первый раз видит эту игру, сможет отличить настоящий сценарий развития событий от фантастического. При этом наблюдатель интуитивно опирается на второй закон термодинамики. Он гласит, что если некоторая система не имеет притока энергии извне, то она либо сохраняет свое состояние, либо самопроизвольно движется в сторону хаоса, но не порядка.


Большинство других законов физики не запрещают, чтобы катающиеся шары сами складывались в пирамиду, растворенный в стакане чай собирался в пакетик, а вулкан извергался обратно вовнутрь. Но все эти процессы мы не наблюдаем, поскольку они потребовали бы, чтобы изолированная система самопроизвольно упорядочивалась, что противоречит второму закону термодинамики. Природа второго начала не объяснена окончательно во всех деталях, но ученые существенно продвинулись в понимании базовых принципов.


Квантовые физики из МФТИ решили проверить, возможно ли, что время само собой обернется вспять хотя бы для отдельно взятой частицы и хотя бы на долю секунды. Вместо бильярдных шаров они рассмотрели одиночный электрон в пустом межзвездном пространстве.


«Допустим, в начальный момент наблюдений электрон локализован. Это значит, что мы почти наверняка знаем, где он находится. Узнать конкретную точку по законам квантовой механики не получится, но можно очертить небольшой участок пространства, в котором локализован электрон», — говорит соавтор исследования, Андрей Лебедев из МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха.


Как объясняет физик, дальнейшая эволюция электрона описывается уравнением Шредингера. Это уравнение не делает различия между прошлым и будущим, но участок пространства, в котором локализован электрон, уже через доли секунды «расползется». Система стремится к хаосу — со временем мы знаем о местонахождении электрона все меньше. Неопределенность растет. Такое поведение состояния отдельной частицы является аналогом увеличения энтропии большой системы, описываемой вторым началом термодинамики.


«Однако уравнение Шредингера обратимо, — говорит соавтор работы, Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории США. — С математической точки зрения это значит, что если подвергнуть его определенному преобразованию (комплексному сопряжению), то полученное уравнение будет описывать то, как „размазанный“ электрон локализуется обратно за то же время, что ушло на „расползание“». Хотя в природе такое явление не наблюдается, теоретически оно может произойти из-за случайной флуктуации реликтового излучения, которым пронизано даже пустое межзвездное пространство.


Авторы вычислили вероятность наблюдать, как электрон, «размазавшийся» за малую долю секунды, затем самопроизвольно локализуется. Оказалось, что даже если ежесекундно находить и по очереди наблюдать по 10 млрд «свежелокализованных» электронов, висящих в пустом пространстве, то всего времени жизни Вселенной (13,7 млрд лет) хватит, чтобы лишь один раз увидеть, обратную эволюцию состояния электрона. И то речь идет о возврате электрона в прошлое не на минуту и не на секунду, а примерно на одну десяти миллиардную долю секунды.


Ясно, что в макроскопических явлениях (столкновение шаров и т. п.) задействовано умопомрачительное количество электронов, и происходящее длится несравненно дольше. Поэтому мы тем более не наблюдаем, чтобы люди молодели, а чернильная клякса на бумаге собиралась в каплю.


Далее ученые попытались обратить время вспять в эксперименте. Вместо электрона наблюдалось состояние квантового компьютера, состоящего сначала из двух, а затем из трех элементов — сверхпроводящих кубитов. Эксперимент включает четыре стадии.

Физики заставили время идти назад внутри квантового компьютера МФТИ, Физтех, Наука, Новости науки и техники, Длиннопост, Физика, Квантовый компьютер

Стадия порядка: все кубиты приводятся в состояние «0», которое называют основным. Этот момент соответствует локализации электрона в небольшом участке пространства. Система упорядочена — образно говоря, бильярдные шары выстроены в пирамиду.


Далее наступает стадия деградации, и порядок утрачивается. Подобно тому, как электрон расплывается в пространстве, а пирамида разбивается от удара, состояние кубитов начинает причудливым образом усложняться. Для этого на короткое время запускается компьютерная программа эволюции. Подобная деградация так или иначе произошла бы сама из-за взаимодействия с окружением, ведь система стремится к хаосу. Но контролируемая программа автономной эволюции системы сделает возможной последнюю стадию эксперимента.


Затем происходит обращение времени. Специальная программа преобразует состояние квантового компьютера так, чтобы в дальнейшем оно развивалось наоборот, от хаоса к порядку. Эта операция аналогична случайной флуктуации поля в случае с электроном, только теперь она умышленная. В примере с пирамидой — можно представить, как кто-то пнул или потряс бильярдный стол с бесконечно точным расчётом.


Наконец, на стадии регенерации повторно запускается та же программа эволюции, которая ранее вызывала нарастание хаоса. И если «пинок» был успешен, то состояние кубитов начинает отматываться назад, в прошлое, как если размытый электрон вновь локализуется, а шары, пройдя по своим траекториям из прошлого задом-наперёд, сложатся в пирамиду.


Учёные установили, что в 85% случаев после преобразования компьютер из двух кубитов действительно возвращался обратно в исходное состояние. В случае с тремя кубитами ошибки случались чаще — в половине случаев. Однако, по словам авторов, это объясняется несовершенством квантового компьютера. С развитием техники ошибка будет уменьшаться.


Более того, сам алгоритм обращения времени тоже может в будущем сделать квантовый компьютер точнее. «Наш алгоритм можно доработать и использовать для проверки программ квантового компьютера, а также для устранения помех и сбоев в его работе», — поясняет Андрей Лебедев.

http://nature.com/articles/s41598-019-40765-6

http://mipt.ru/news/fiziki_obratili_vremya_vspyat_s_pomoshch...

Наука | Научпоп

7.6K постов78.3K подписчика

Добавить пост

Правила сообщества

Основные условия публикации

- Посты должны иметь отношение к науке, актуальным открытиям или жизни научного сообщества и содержать ссылки на авторитетный источник.

- Посты должны по возможности избегать кликбейта и броских фраз, вводящих в заблуждение.

- Научные статьи должны сопровождаться описанием исследования, доступным на популярном уровне. Слишком профессиональный материал может быть отклонён.

- Видеоматериалы должны иметь описание.

- Названия должны отражать суть исследования.

- Если пост содержит материал, оригинал которого написан или снят на иностранном языке, русская версия должна содержать все основные положения.


Не принимаются к публикации

- Точные или урезанные копии журнальных и газетных статей. Посты о последних достижениях науки должны содержать ваш разъясняющий комментарий или представлять обзоры нескольких статей.

- Юмористические посты, представляющие также точные и урезанные копии из популярных источников, цитаты сборников. Научный юмор приветствуется, но должен публиковаться большими порциями, а не набивать рейтинг единичными цитатами огромного сборника.

- Посты с вопросами околонаучного, но базового уровня, просьбы о помощи в решении задач и проведении исследований отправляются в общую ленту. По возможности модерация сообщества даст свой ответ.


Наказывается баном

- Оскорбления, выраженные лично пользователю или категории пользователей.

- Попытки использовать сообщество для рекламы.

- Фальсификация фактов.

- Многократные попытки публикации материалов, не удовлетворяющих правилам.

- Троллинг, флейм.

- Нарушение правил сайта в целом.


Окончательное решение по соответствию поста или комментария правилам принимается модерацией сообщества. Просьбы о разбане и жалобы на модерацию принимает администратор сообщества. Жалобы на администратора принимает @SupportComunity и общество Пикабу.

Вы смотрите срез комментариев. Показать все
8
Автор поста оценил этот комментарий

Нихуя не понял. Так "возврат во времени" (как его вообще можно зафиксировать?) или "возврат в исходное состояние"?

раскрыть ветку (17)
7
DELETED
Автор поста оценил этот комментарий
Комментарий удален. Причина: данный аккаунт был удалён
раскрыть ветку (2)
Автор поста оценил этот комментарий

Так если можно откатить время локально, то можно это сделать и глобально, только с куда большими затратами. Время же только возле массивных обьектов замедляется, а в остальной вселенной течет стандартно. Я как обыватель, понимаю это так, что раньше были не уверены в возможности отката времени, а теперь доказали.

раскрыть ветку (1)
1
DELETED
Автор поста оценил этот комментарий
Комментарий удален. Причина: данный аккаунт был удалён
1
Автор поста оценил этот комментарий

я так понял что они вернули в исходное состояние, которое по идеи не должно возвращаться в обычной жизни

раскрыть ветку (13)
1
Автор поста оценил этот комментарий

Почему не должно?

раскрыть ветку (12)
15
Автор поста оценил этот комментарий

Вот ты поссал, и моча твоя в тебя через член обратно не польётся, а у них получилось

раскрыть ветку (9)
16
Автор поста оценил этот комментарий

Квантовый физик из вас так себе :)

раскрыть ветку (2)
5
Автор поста оценил этот комментарий
Зато учитель пиздатый
3
Автор поста оценил этот комментарий

Его в геологи не взяли

1
Автор поста оценил этот комментарий
следуя вашей же аналогии, у них получилось закачать мочу обратно с помощью насоса. является ли это перемещением в прошлое? с т.з. мочевого пузыря - да, но не для вас
раскрыть ветку (5)
3
Автор поста оценил этот комментарий

Тут, мне кажется, пример с мясорубкой больше подойдёт: захотели котлет - прокрутили мясо через мясорубку в фарш, потом передумали, решили сделать гуляш и прокрутили ручку мяморубки назад, получив тот же кусок мяса, что по сути не отличается от того, чтобы метнуться в прошлое и забрать из него мясцо, пока его не прокрутили в фарш

раскрыть ветку (1)
Автор поста оценил этот комментарий
по сути это очень сильно отличается от перемещения в прошлое, т.к. идентичность начальной и конечной формы (положения в пространстве эт сетера) никак не отменяет произошедшего процесса, и если в описании процесса есть слово "обратный" это не равно путешествию во времени в прошлое. с временем, по сути, связи вообще нет никакой. возвращаясь к электрону - научились моделировать случайную редкую флуктуацию, естественный процесс. а журнашлюхи как всегда журнашлюхи
1
Автор поста оценил этот комментарий

Вот именно что не с помощью насоса. Они в некоторый момент времени сменили направление потока струи на обратный и получилось, что струя вернулась обратно, хотя логично было бы ожидать что несмотря на это изменение струя все равно продолжит выходить из человека.

раскрыть ветку (2)
4
Автор поста оценил этот комментарий

По мне дак это просто какая то математическая уловка

Автор поста оценил этот комментарий
но поток времени они не сменили, так что однохуйственно с помощью чего вернулась струя мочи обратно
Автор поста оценил этот комментарий

ну типа система стремится к хаусу, они же приводили пример как шар разбивает пирамиду

раскрыть ветку (1)
2
Автор поста оценил этот комментарий

Но в данном случае система управляемая, с чему бы ей стремиться к хаОсу?

Вы смотрите срез комментариев. Чтобы написать комментарий, перейдите к общему списку