Ученые используют квантовый компьютер для обращения времени | Нарушение 2-го закона термодинамики

• Физики успешно создали квантовое состояние, которое движется в направлении, противоположном термодинамической стрелке времени.
• Они продемонстрировали это состояние на 2- и 3-кубитном квантовом компьютере.
• Его можно использовать для повышения точности квантовых компьютеров при уменьшении ошибок и шума.

Каким образом необратимость возникает из, казалось бы, симметричных во времени законов физики? Ученые годами пытались найти ответ.

В рамках классической статистической механики проблема связана со 2-м законом термодинамики, согласно которому энтропия в замкнутой системе увеличивается, когда энергия переходит из одной формы в другую или когда вещество движется свободно.

В 2018 году российские исследователи из Московского физико-технического института сообщили о нарушении 2-го закона термодинамики с помощью устройства, известного как демон Максвелла. Теперь они подошли к проблеме под другим углом:они разработали квантовое состояние, которое движется в направлении, противоположном термодинамической стрелке времени.

Команда сначала оценила вероятность того, что электрон в вакууме инстинктивно вернется в свое недавнее прошлое. Они обнаружили, что наблюдение за 10 миллиардами новых локализованных электронов каждую секунду на протяжении всей жизни Вселенной только один раз выявит обратную эволюцию состояния электрона.

Даже в этом случае частица не переместится в прошлое более чем на наносекунду. Вот почему мы не наблюдаем, как вещи идут в обратном времени, потому что для этого потребуется поразительное количество частиц, разворачивающихся в гораздо более длительных временных масштабах.

Ссылка:arXiv:1712.10057 | МФТИ

Четырехэтапный эксперимент

Исследователи проанализировали состояние квантового компьютера, состоящего из 2- и 3-кубитов (квантовых битов).

1. Порядок: Изначально каждый кубит находится в основном состоянии, представляющем ноль.
2. Ухудшение: Запустите «программу эволюции», чтобы изменить состояния кубитов на единицы и нули или на то и другое одновременно.
3. Обратное время: Уникальный алгоритм, разработанный в этом исследовании, изменяет квантовый компьютер таким образом, что он затем движется в обратном направлении - от хаоса к порядку.
4. Регенерация: Снова запустите программу эволюции, чтобы вернуть состояния кубитов в прошлое.

Предоставлено исследователями

2-кубитный квантовый компьютер возвращался в исходное состояние в 85% случаев, тогда как 3-кубитный квантовый компьютер показал больше ошибок, что привело к 50% успешности. Ошибки возникли из-за дефектов в существующем квантовом компьютере. Ожидается, что по мере развития более совершенных методов квантовых вычислений частота ошибок значительно снизится.

Что дальше?

На этот раз алгоритм обращения времени может быть использован для разработки более точных квантовых компьютеров. В ближайшем будущем его можно будет модифицировать для тестирования программного обеспечения, написанного для квантовых компьютеров, и уменьшения ошибок и шума.

Прочтите:18 самых интересных фактов о квантовых компьютерах

Схемы, разработанные в этом исследовании, прокручивали одну за другой компоненты состояния, но не использовали квантовый параллелизм в полной мере. Следующий вопрос:возможно ли вообще разработать квантовый алгоритм, который бы выполнял обращение времени более эффективно, чем использование O (N) элементарных вентилей.