Мы все ужи давно привыкли считать течение времени от прошлого к будущему в нашей повседневной жизни, как нечто само собой разумеющееся. Но, оказывается, что некоторые из фундаментальных законов физики на самом деле “хорошо работают” в обе стороны течения времени, что показали исследования американских и российских физиков, проведенные еще в 2019 году. В этих экспериментах ученым удалось буквально “повернуть время вспять” на микроскопическом квантовом уровне, это, конечно, не поможет нам заглянуть назад в 1960-е годы, но, тем не менее, оставляет очень маленькую лазейку для возможности создания квантовой машины времени.
Фундаментальный физический закон, который был “повернут вспять” учеными, это Второй закон термодинамики, являющийся одним из базовых законов, определяющих все происходящее вокруг нас во Вселенной. Согласно этому закону, энергия, заключенная в различных объектах, постоянно трансформируется и перетекает от более горячих объектов к более холодным. Этот принцип объясняет, почему кофе в чашке остынет через некоторое время или почему нельзя создать реальный вечный двигатель.
“Этот закон тесно связан с понятием направления времени, и он устанавливает одностороннее направление времени от прошлого к будущему” – рассказывает Гордей Лесовик, ученый-физик из Московского физико-технического института (МФТИ).
В упомянутых выше экспериментах ученые использовали электроны в качестве подопытных объектов, да не простые электроны, а электроны, которые были основной частью кубитов (квантовых битов) квантового компьютера. Природа и поведение электронов на квантовом уровне определяется так называемым уравнением Шредингера. И с точки зрения этого уравнения электрон является пакетом волн, движущимся сразу в нескольких направлениях.
“Однако, уравнение Шредингера обратимо с точки зрения направления течения времени” – рассказывает Валерий Винокур, ученый из Национальной лаборатории Аргона, США, – “С математической точки зрения это означает, что при определенных условиях и череде соответствующих преобразований электрон может “соскользнуть назад во времени””.
В природе не существует никаких причин, мешающих спонтанному “соскальзыванию” электрона назад во времени. Но для того, чтобы зафиксировать такой случай может потребоваться ежесекундное наблюдение за 10 миллиардами электронов одновременно, производимое на протяжении срока, сопоставимого с длительностью существования Вселенной.
Вместо того, чтобы ждать столь долгий срок, ученые использовали неопределенное состояние кубитов квантового компьютера и некоторые особые алгоритмы. Когда этот компьютер был запущен, то кубиты перешли в одно, можно сказать случайное, состояние из диапазона всех возможных состояний. Изменив некоторые настройки квантового компьютера, и запустив его снова, ученые эффективно “перемотали” назад во времени уравнение Шредингера.
В качестве примера из жизни можно привести следующее – представьте, что первый запуск квантового компьютера был чем-то вроде первого удара, разбившего пирамиду из бильярдных шаров, и разметавшего эти шары по поверхности стола. Второй запуск компьютера стал своего рода толчком бильярдного стола, из-за которого все шары вернулись на исходную позицию, снова сформировав изначальную пирамиду.
Для проверки технологии работы ученые “разворота времени” ученые провели один и тот же эксперимент множество раз, “разбивая” пирамиду шаров и собирая ее назад. В системе из двух кубитов квантового компьютера это удавалось сделать приблизительно в 85 процентах случаев.
Отметим, что это не первый случай, когда этой же группе ученых удавалось хорошенько “перетряхнуть” Второй закон термодинамики. Несколько лет назад эти ученые запутали частицы на квантовом уровне и сумели осуществить их нагрев и охлаждение так, что их поведение соответствовало поведению эффективного вечного двигателя.
Как уже упоминалось выше, все сделанное американскими и российскими ученым оставляет лазейку для возможности создания машины времени. Однако, результаты этих исследований могут иметь и более практическую ценность, технология “реверсирования времени” может оказаться тем, что позволит значительно улучшить точность и эффективность работы будущих квантовых компьютеров. И, конечно, все это значительно расширяет границы нашего понимания того, как происходящее на квантовом уровне определяет и влияет на процессы гораздо больших масштабов, включая процессы эволюции окружающей нас Вселенной.