В повседневной классической физике измерение практически не влияет на наблюдаемый объект. Квантовые системы ведут себя совершенно иначе — измерение случайным образом изменяет их состояние, создавая стрелу времени. Однако большинство фундаментальных физических законов в квантовом мире симметричны относительно времени: проще говоря, уравнения одинаково хорошо «работают», если заменить ход времени на обратный.
«В отличие от явлений, которые мы наблюдаем вокруг нас, на микроскопическом уровне большинство фундаментальных законов физики рассматривают движение времени вперед и назад как физически возможное», — объясняет физик Луис Педро Гарсиа-Пинтос. «Другими словами, эти законы физики симметричны при обращении времени; уравнения работают одинаково хорошо, если вы обратите время. Для квантовых систем, которые работают на этом микроскопическом уровне, созданные нами инструменты могут манипулировать воспринимаемой стрелой времени, приводя к удивительным, новым способам контроля квантовых систем».
Чтобы преодолеть эффект измерения, специалисты Лос-Аламосской национальной лаборатории объединили измерения с управляемой обратной связью и сумели формировать так называемые стохастические траектории, согласующиеся с «движением времени назад». Иными словами, система в эксперименте эволюционировала так, как если бы ученые «прокручивали» квантовый процесс в обратную сторону.
Ключевым инструментом стал специально сконструированный гамильтониан управления — набор точно рассчитанных полей и импульсов, которые имитируют влияние квантовых измерений на систему. Встроенный в контур обратной связи, такой гамильтониан может ослаблять, усиливать или даже «перекручивать» эффекты измерений. В результате квантовая система может двигаться по траекториям с «растянутой», размытой или перевернутой в обратную сторону стрелой времени.
Работа американских физиков напрямую перекликается с классическим мысленным экспериментом Максвелла о «демоне», который, отбирая быстрые и медленные частицы, как будто снижает энтропию и ставит под вопрос второе начало термодинамики. Сегодня мы понимаем, что само получение и обработка информации тоже имеют термодинамическую цену, и закон не нарушается. Квантовый «демон» команды Лос-Аламоса использует информацию о состоянии системы и результатах измерений, чтобы создавать столь же необычное поведение — фактически «разворачивая» естественную стрелу времени в рамках квантовой динамики.
Новый подход позволяет не только «играть» со временем, но и управлять потоками энергии. Авторы показали, что можно построить непрерывный «двигатель измерений», который извлекает полезную энергию прямо из процесса наблюдения за квантовой системой. В такой схеме сами квантовые измерения становятся термодинамическим ресурсом: их можно использовать для выполнения работы — например, для запуска другого квантового процесса или зарядки «квантовой батареи».
Следующим шагом станет экспериментальное воплощение этих идей на сверхпроводящих кубитах. Такие устройства уже умеют быстро обрабатывать обратную связь и очень эффективно регистрировать квантовые состояния, а также они уже служили платформой для квантовых версий «демона» Максвелла. В будущем ученые планируют применять новые протоколы для более точной подготовки квантовых состояний, которая очень важна для квантовых компьютеров и сенсоров.
Ранее две независимые команды физиков почти одновременно сообщили о создании первых в мире ядерных часов.
Источник: hi-tech.mail.ru