Ученые из России, США и Швейцарии заставили квантовый компьютер вернуться на долю секунды в прошлое, «нарушив» второй закон термодинамики. Их выводы и возможное проявление этого эффекта в реальном мире было представлено в журнале Scientific Reports.

«Это одна из серии работ, посвящённых 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.

Одной из основ современной физики и космологии является концепция так называемой «стрелы времени» – постулат о том, что время в нашей Вселенной движется исключительно в одном направлении, из прошлого в будущее. Иными словами, мы движемся сквозь четырехмерное пространство исключительно в одном направлении по оси времени, и «перемотать» его назад невозможно.

С точки зрения физики это проявляется в том, что со временем неупорядоченность, хаотичность Вселенной, состояние, которое ученые называют энтропией, неуклонно растет. К примеру, данный процесс проявляется в том, как меняется состояние энергии Вселенной.

Этот принцип, который ученые часто называют «вторым законом термодинамики», считается нерушимым правилом, управляющим жизнью всей Вселенной на всех уровнях. Он же является причиной того, почему «вечный двигатель» всегда будет лишь мечтой фантастов и никогда не станет реальностью.

Три года назад Лесовик и его коллеги обнаружили, что второе начало термодинамики может нарушаться на квантовом уровне, фактически пытаясь 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 на практике. Это заставило их задуматься о том, можно ли воспользоваться удивительными свойствами квантового мира и разбить демона Максвелла на несколько частей, разнесенных на относительно большие расстояния. Они реализовали эту амбициозную задачу в конце прошлого года.

Логическим продолжением этих экспериментов, как отмечает Лесовик, стала проверка того, может ли время самопроизвольно обернуться вспять хотя бы для одной частицы, чьим поведением управляют законы квантовой физики.

Для этого они просчитали то, может ли электрон, находящийся в пустом пространстве, спонтанно вернуться на мгновение назад в прошлое, используя уравнение Шредингера для оценки того, где в конкретный момент времени будет находиться частица. Эти расчеты опирались на простую идею – положение частицы будет постепенно «размазываться» по пространству, подчиняясь действию «стрелы времени».

Как оказалось, электрон действительно может спонтанно оказаться в прошлом, вернувшись в то состояние, в котором он находился пару мгновений назад. Подобные события, однако, должны происходить крайне редко – по расчетам Лесовика и его коллег, это может случиться примерно один раз за все время существования Вселенной, причем время будет «перемотано» назад всего на 0,06 наносекунды.

Тем не менее, сама возможность подобного нарушения второго начала термодинамики позволила российским и зарубежным ученым осуществить подобную операцию «вручную», используя облачный квантовый компьютер фирмы IBM.

Объединив два или три кубита, элементарных вычислительных модулей и ячеек памяти подобных машин, ученые заполнили их определенным набором чисел и начали манипулировать их содержимым так, что уровень хаоса внутри этой квантовой системы начал быстро расти.

Когда энтропия достигла определенной точки, работой кубитов начала управлять другая программа, которая перевела их в такое состояние, что их дальнейшая «эволюция» начала идти не в сторону хаоса, а порядка. В результате этого кубиты на мгновение вернулись в свое исходное состояние.

Подобная процедура, как отмечают физики, завершилась успехом далеко не всегда – это удалось сделать в 80% случаев для двух ячеек памяти, и лишь в половине попыток для трех кубитов. Это, как предполагают исследователи, было 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 физикам манипулировать состоянием большего числа кубитов.

https://ria.ru/20190313/1551754789.html