Тепловой хаос вернул квантовую систему в неизвестное прошлое

Один из авторов исследования, Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории, поясняет принцип в основе обоих исследований: «Один из наших прорывов — осознание и реализация на практике идеи, что квантовый компьютер можно использовать не как вычислитель, а как физический объект, кусочек материального мира, и эволюцией его состояния во времени можно поразительным образом управлять».

Без внешнего вмешательства состояние квантового чипа эволюционирует определенным образом — от порядка к хаосу. То же самое можно сказать и о других вещах: наши тела стареют, постройки разваливаются, а система «кубик льда — стакан воды» неминуемо приходит к тепловому равновесию. При этом едва ли кто-то видел, чтобы кубик льда внезапно материализовался в стакане при комнатной температуре; хотя это может зависеть от содержимого стакана.

Повседневный опыт дает человеку интуитивное чувство времени, которое основано на противопоставлении в целом более упорядоченного прошлого более хаотичному будущему замкнутой системы. Такой как стакан воды комнатной температуры со льдом, где таяние воспринимается как однонаправленный процесс. В физике говорят о стреле времени, или асимметрии времени. Она объясняется тенденцией к беспорядку, которая более строго описывается вторым началом термодинамики.

В эксперименте, который в прошлом году СМИ окрестили российской «машиной времени», физики на мгновение развернули стрелу времени для квантового чипа. А именно, запущенный в упорядоченном состоянии квантовый компьютер короткое время эволюционировал в сторону нарастания хаоса, после чего на чип воздействовали алгоритмом обращения времени. Как следствие, компьютер стал выполнять все прежние действия с точностью до наоборот и в конце концов пришел в исходное упорядоченное состояние.

Подвох состоял в том, что нужно заранее знать состояние компьютера в момент пуска алгоритма обращения времени — операция не универсальна. «Даже это воспринималось как своего рода волшебство, но наша усовершенствованная процедура — это, если угодно, волшебный джинн нового порядка, — объясняет Винокур. — Скажем, захотели вы вернуть Парфенону его былое величие. Прежний джинн мог исполнить ваше желание, но он бы начал задавать неудобные вопросы — попросил бы подробный план руин как они есть сейчас... У старого джинна не было универсального заклятия для обращения времени. У него была толстенная книга заклинаний, из которой приходилось каждый раз выбирать одно, смотря по ситуации, что весьма утомительно».

С практической точки зрения неудобно зависеть от того, какое конкретное состояние обращается, потому что тогда его нужно описать и записать. Это не вызывает трудностей в случае с простым компьютером из двух-трех квантовых битов, как в прошлогодней работе. Но при масштабировании эксперимента потребности в памяти растут очень быстро: добавляя один кубит, вы удваиваете объем необходимой памяти.

Для решения этой проблемы ученые предложили универсальный алгоритм. Теперь неважно, каким именно образом ваш «квантовый Парфенон» утратил былую гармонию, — новый джинн адаптируется под любой сценарий и запустит эволюцию системы назад в прошлое. Без лишних вопросов и чертежей. Правда, он потребует тонны мрамора и будет нещадно жечь их адским пламенем, но с джиннами не бывает по-простому. Может быть, он ифрит?

Рассмотрим мысленный эксперимент, который иллюстрирует обращение во времени произвольного квантового состояния. Допустим, вы собрали из молекул воды снежинку замысловатой формы и заперли ее в непроницаемый ящик. Никто другой не знает форму снежинки. Оставшись на время при комнатной температуре, снежинка в ящике тает и испаряется. По словам ученых, они могут восстановить исходную снежинку при помощи своего универсального алгоритма — и ряда странных термических манипуляций.

Как любому фокуснику, физикам понадобится реквизит. В нашем случае это не мрамор, а идентичная коробка с тем же количеством молекул воды внутри. Агрегатное состояние может быть любым, есть лишь одно условие: в коробках те же частицы в том же количестве. Следите за руками.

Получив коробку-дубликат, также известную как вспомогательная система, физики выполняют следующие действия.

В результате этих на первый взгляд сомнительных манипуляций с коробками исходная система — утраченная снежинка — придет в обращенное во времени состояние. Иными словами, она какое-то время будет существовать в режиме «обратного воспроизведения» и в итоге вернется в исходное состояние, застыв ровно в той форме, в какой была в начале эксперимента. Аплодисменты!

В статье в Communications Physics приводится формула для расчета того, сколько раз нужно повторить описанный выше цикл для обращения во времени состояния той или иной системы. То есть чтобы запустить обратную эволюцию от текущего состояния к более ранним, в прошлое. Количество повторений крайне велико, и эта величина растет с усложнением обращаемой системы и отдалением момента в прошлом, в который она должна вернуться.

Итак, из соображений сложности системы Парфенону придется подождать. Зато физики более оптимистично настроены по поводу возможности провести эксперимент с небольшим квантовым компьютером и на мгновение обратить его произвольное состояние во времени. Скажем, в случае двух квантовых битов понадобится минимум 16 повторений цикла, для трех кубитов — 64 повторения и так далее.

Для такого эксперимента достаточно существующих сегодня технологий, но есть проблема с первым шагом цикла — термализацией. Публично доступные квантовые компьютеры, такие как использованный в прошлогодней работе IBM, не оснащаются термостатами, подобно тому как в каршеринге нет прыгающих авто на гидравлике. Так что этот эксперимент будет ждать команду физиков, которая готова «тюнинговать» собственный компьютер, снабжая его примочками вроде термостата.

Хотя квантовая механика полна парадоксов, сама идея задействовать термостат не очевидна даже для физиков: «В общем случае, чем горячее система, тем меньше в ней порядка. Если вдуматься, получается, что мы используем в высшей степени хаотичный элемент, термостат, для достижения порядка, — рассуждает соавтор исследования, Андрей Лебедев из МФТИ. — Мы многократно подвергаем вспомогательную систему воздействию крайне высокой температуры ради того, чтобы в конечном итоге увидеть холодное и упорядоченное прошлое основной системы. Этот парадокс нас самих озадачил».

В будущем универсальные алгоритмы обращения времени могут быть использованы для подтверждения того, что квантовый компьютер обеспечивает квантовое превосходство и вообще работает исправно. Ведь если появится квантовый вычислитель, который заметно превзойдет остальные компьютеры, его будет нечем проверить на возможные ошибки.

Допустим, такая 52-кубитная машина выполнит продвинутый квантовый алгоритм. На выходе получится неимоверно сложное квантовое состояние. При стандартном подходе к поиску ошибок в вычислениях придется полностью описать конечное состояние, что не под силу человечеству. Но это и не нужно.

Способность обращать во времени произвольное квантовое состояние позволяет выполнить вычисления задом наперед. При этом неважно, какое именно состояние отматывается в прошлое. Все что имеет значение — пришла ли система к известной отправной точке.

Так что когда квантовые вычислители начнут штамповать научные открытия, обращение времени придется очень кстати и позволит убедиться, что мы имеем дело с моделью реальности, а не квантовым глюком вселенских масштабов.

Материал предоставлен пресс-службой МФТИ