© Tsarcyanide/пресс-служба МФТИ
Ученые из России, США и Швейцарии заставили квантовый компьютер на долю секунды вернуться в прошлое и тем самым "нарушили" второй закон термодинамики. Их выводы и возможное проявление этого эффекта в реальном мире представлено в журнале Scientific Reports.
"Это одна из серии работ, посвященных возможности нарушить второе начало термодинамики — закон физики, тесно связанный с различием между прошлым и будущим. Теперь мы подошли к проблеме с третьей стороны — мы искусственно создали такое состояние системы, которое само развивается в обратную с точки зрения второго начала сторону", — рассказывает Гордей Лесовик из Московского физтеха в Долгопрудном.
Концепция так называемой стрелы времени — одна из основ современной физики и космологии. Это постулат о том, что время в нашей Вселенной движется только в одном направлении — из прошлого в будущее — и "перемотать" его назад невозможно.
С точки зрения физики это проявляется в том, что со временем неупорядоченность, хаотичность Вселенной (это состояние ученые называют энтропией) неуклонно растет. Этот принцип, который часто называют вторым законом термодинамики, считается нерушимым правилом, управляющим жизнью Вселенной на всех уровнях. И это же причина того, почему вечный двигатель никогда не станет реальностью.
Три года назад Лесовик и его коллеги обнаружили, что второе начало термодинамики может нарушаться на квантовом уровне, хотя фактически они пытались доказать обратное. Это открыло дорогу для создания квантового аналога знаменитого «демона Максвелла» — гипотетического существа, сортирующего быстрые и медленные молекулы.
Чуть позже российские физики успешно реализовали эту идею и задумались, можно ли воспользоваться удивительными свойствами квантового мира и разбить «демона Максвелла» на несколько частей, разнесенных на сравнительно большие расстояния. Эту амбициозную задачу они решили в конце прошлого года.
Как отмечает Лесовик, логическим продолжением экспериментов стала проверка, может ли время самопроизвольно обернуться вспять хотя бы для одной частицы, чьим поведением управляют законы квантовой физики.
В ходе эксперимента ученые просчитали, может ли электрон, находящийся в пустом пространстве, спонтанно вернуться на мгновение в прошлое. Для оценки местоположения частицы в конкретный момент времени они использовали уравнение Шредингера. Расчеты опирались на то, что положение частицы будет постепенно размазываться по пространству, подчиняясь «стреле времени».
Как оказалось, электрон действительно может спонтанно оказаться в прошлом: он возвращается в состояние, в котором находился мгновения назад. Однако происходить это должно очень редко — по расчетам Лесовика и его коллег, примерно раз за все время существования Вселенной, причем время «перемотается» назад всего на 0,06 наносекунды.
Тем не менее сама возможность подобного нарушения второго начала термодинамики позволила российским и зарубежным ученым провести подобную операцию вручную, с помощью облачного квантового компьютера фирмы IBM.
Исследователи объединили два или три кубита (элементарные вычислительные модули и ячейки памяти квантовых машин), заполнили их определенным набором чисел и начали манипулировать содержимым так, что уровень хаоса в этой квантовой системе начал быстро расти.
Когда энтропия достигла определенной точки, работой кубитов начала управлять другая программа, которая перевела их в такое состояние, что дальнейшая эволюция пошла в сторону не хаоса, а порядка. В результате кубиты на мгновение вернулись в исходное состояние.
Как отмечают физики, эта процедура завершалась успехом далеко не всегда: для двух кубитов — в 80 процентах случаев, а для трех — лишь в половине. Это, как предполагают исследователи, связано с ошибками в работе самого квантового компьютера, а не с какими-то другими, совершенно неожиданными и необъяснимыми причинами.
В ближайшее время Лесовик и его команда планируют разработать более эффективные алгоритмы «обращения времени», которые будут работать быстрее и позволят манипулировать состоянием большего числа кубитов.
