Изследователи от Московския физически и технологичен институт се обединиха с колеги от САЩ и Швейцария, успявайки да върнат времето в миналото

Благодарение на квантов компютър, учените върнаха времето назад, за една малка част от секундата. Те са изчислили също вероятността един електрон в празното междузвездно пространство спонтанно да се озове в своето близко минало.

“Тук представяме възможността за нарушаване на втория закон на термодинамиката. Този закон е тясно свързан с идеята за еднопосочността на стрелата на времето: от миналото към бъдещето”, коментира водещият автор на изследването Горди Лесовик. Той оглавява лабораторията по физика на квантовата информационна технология в MIPT.

“Започнахме с описание на така наречената локална машина за непрекъснато движение от втори вид. Тогава, през декември, публикувахме документ, който обсъжда нарушението на втория закон чрез устройство, наречено демон на Максуел”, споделя Лесовик. “Ние изкуствено сме създали състояние, което се развива в посока, противоположна на тази на термодинамичната стрелка на времето”, допълва той.

Повечето физични закони не правят разлика между бъдещето и миналото. Например, ако опишем с уравнение сблъсъка и отскока на две еднакви билярдни топки и това събитие се записва с камера и се играе на заден ход, то все още може да бъде представено със същото уравнение. Нещо повече, записът не може да бъде различен, незаисимо в коя посока се гледа.

И двете версии изглеждат правдоподобни. Билярдните топки не се поддават на усещане за време. Представете си обаче, че някой е записал играч, който разбива пирамидата, а билярдните топки се разпръскват във всички посоки. Не е нужно да знаете правилата на играта, за да кажете реалния сценарий от обратното възпроизвеждане. Това, което го прави толкова абсурдно, е нашето интуитивно разбиране на втория закон на термодинамиката: изолираната система или остава статична, или се развива по-скоро към състояние на хаос, отколкото на ред. Характерът на този закон не е обяснен в подробности, но изследователите са постигнали голям напредък в разбирането на основните принципи, залегнали в него.

Спонтанно обръщане на времето

Квантовите физици от MIPT решиха да проверят дали времето може спонтанно да се преобърне поне за малка част от секундата. Това означава, че вместо да се сблъскват билярдни топки, те изследват самотен електрон в празното междузвездно пространство. „Да предположим, че електронът е локализиран, когато започнем да го наблюдаваме. Това означава, че сме сигурни за неговото положение в пространството”, казва съавторът на изследването Андрей Лебедев от MIPT и ETH Zurich.

Физикът обяснява, че еволюцията на електронното състояние се управлява от уравнението на Шрьодингер. Въпреки че не прави разлика между бъдещето и миналото, пространството, съдържащо електрона, ще се разпространи много бързо. Това означава, че системата има тенденция да става по-хаотична. Несигурността на позицията на електрона нараства. Това е аналогично на нарастващото безредие в една мащабна система – като например билярдна маса – поради втория закон на термодинамиката.

“Въпреки това уравнението на Шрьодингер е обратимо”, добавя Валери Винокур, съавтор на статията от Националната лаборатория на Аргон. Въпреки че това явление не се наблюдава в природата, теоретично може да се случи поради случайна флуктуация в космическия микровълнов фон, проникващ във Вселената.

Екипът се заел да изчисли вероятността да наблюдава електрон, „размазан“ в част от секундата, спонтанно локализиращ се в своето близко минало. Оказва се, че ако човек може да види целия живот на Вселената – 13.7 милиарда години – като наблюдава 10 милиарда локализирани електрона всяка секунда, обратното развитие на състоянието на частицата ще се случи само веднъж. И дори тогава електронът щеше да пътува не повече от една десет милиардна част от секундата в миналото.

Мащабните феномени, очевидно се разгръщат на много по-големи времеви интервали и имат поразителен брой електрони, други частици. Това обяснява, защо не наблюдаваме старите хора да стават все по-млади.

Време на заден ход при поискване

След това изследователите се опитват да обърнат времето в четиристепенен експеримент. Вместо електрон, те наблюдават състоянието на квантовия компютър, направен от два и по-късно три основни елемента, наречени свръхпроводящи кубити.

Етап 1: Всеки кубит се инициализира в основното състояние, означен като нула. Тази силно подредена конфигурация съответства на електрон, локализиран в малка област.

Етап 2: Деградация: състоянието на кубитите става все по-сложно променящо се моделиране на нули и единици. Това се постига чрез кратко стартиране на еволюционната програма на квантовия компютър. Всъщност подобна деградация би се случила сама поради взаимодействията с околната среда. Въпреки това, контролираната програма за автономна еволюция ще даде възможност на последния етап от експеримента.

Етап 3: Обръщане на времето: специална програма променя състоянието на квантовия компютър по такъв начин, че се наблюдава развитие “назад”, от хаоса към реда. Тази операция е близка до случайната флуктуация на микровълнов фон в случая на електрона, но този път съзнателно е индуцирана.

Етап 4: Регенерация: програмата за еволюция от втория етап започва отново. Тя не води до повече хаос, а по-скоро връща състоянието на кубитите обратно в миналото. Начинът, по който размазаният електрон ще бъде локализиран или билярдните топки ще проследят траекториите си в обратна посока възпроизвеждане, което в крайна сметка образува триъгълник.