Οι επιστήμονες έχουν αναπτύξει έναν νέο τρόπο ελέγχου των κβαντικών συστημάτων που μπορούν να κάνουν τη συμπεριφορά τους πιο συνεπή με την κίνηση προς τα πίσω παρά προς τα εμπρός. Έρευνα, που δημοσιεύτηκε Φυσική εξέταση xΟ κβαντικός έλεγχος εισάγει πρωτόκολλα που αναδιαμορφώνουν το «βέλος του χρόνου» ενός συστήματος, την ιδέα ότι ο χρόνος φυσικά κινείται προς μία μόνο κατεύθυνση. Η μέθοδος μπορεί τελικά να υποστηρίξει νέες μεθόδους εξαγωγής ενέργειας από κβαντικά συστήματα και προετοιμασίας κβαντικών καταστάσεων.
Ένα κβαντικό σύστημα, όπως μια ομάδα qubits, ακολουθεί τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής και όχι της κλασικής φυσικής. Χρησιμοποιώντας πρόσφατα αναπτυγμένα πρωτόκολλα ελέγχου, οι ερευνητές μπορούν να καταστείλουν τη φυσική άνοδο του βέλους του χρόνου ή ακόμα και να αντιστρέψουν τη φαινομενική κατεύθυνσή του, κάνοντας τις κβαντικές διεργασίες να φαίνονται να κινούνται προς τα πίσω. Ως επίδειξη της τεχνικής, η ομάδα κατασκεύασε επίσης μια μηχανή μέτρησης που μπορεί να συλλέξει ενέργεια από το έργο της πραγματοποίησης κβαντικών μετρήσεων.
«Σε αντίθεση με τα φαινόμενα γύρω μας, οι περισσότεροι από τους θεμελιώδεις νόμους της φυσικής σε μικροσκοπικό επίπεδο βλέπουν την κίνηση προς τα εμπρός και προς τα πίσω σε όσο το δυνατόν περισσότερο χρόνο», λέει ο φυσικός Luis Pedro García-Pintos του Εθνικού Εργαστηρίου του Los Alamos. “Με άλλα λόγια, αυτοί οι νόμοι της φυσικής είναι συμμετρικοί στην αντιστροφή του χρόνου. Οι εξισώσεις λειτουργούν ακριβώς με τον ίδιο τρόπο αν αντιστρέψετε τον χρόνο. Για κβαντικά συστήματα, που λειτουργούν σε αυτό το μικροσκοπικό επίπεδο, τα εργαλεία που έχουμε αναπτύξει μπορούν να χειριστούν το αντιληπτό βέλος του χρόνου, οδηγώντας σε εκπληκτικούς, νέους τρόπους ελέγχου του.”
Μηχανική κβαντική συμπεριφορά αντιστροφής χρόνου
Στην καθημερινή κλασική φυσική, το αντικείμενο που μετράται έχει μικρή επίδραση. Τα κβαντικά συστήματα συμπεριφέρονται πολύ διαφορετικά. Η μέτρησή τους αλλάζει τυχαία την κατάστασή τους, δημιουργώντας φυσικά ένα βέλος χρόνου.
Για να ξεπεραστεί αυτό το αποτέλεσμα, οι ερευνητές συνδύασαν μετρήσεις με αποκρίσεις για να δημιουργήσουν στοχαστικές τροχιές αναστρέψιμες για το χρόνο. Αυτό επιτρέπει στα κβαντικά συστήματα να ακολουθούν μονοπάτια που φαίνεται να είναι συνεπή με το χρόνο που ρέει προς αντίθετες κατευθύνσεις.
Η ομάδα το πέτυχε αυτό σχεδιάζοντας ένα Hamiltonian ελέγχου, μια προσεκτικά σχεδιασμένη ακολουθία πεδίων και παλμών που αναπαράγει τα αποτελέσματα των κβαντικών μετρήσεων. Όταν ενσωματώνονται σε ένα σύστημα ανάδρασης, οι διαταραχές που προκαλούνται από μετρήσεις Χαμιλτονίου μπορούν να ακυρωθούν, να ενισχυθούν ή ακόμα και να διορθωθούν. Ως αποτέλεσμα, το σύστημα μπορεί να δημιουργήσει τροχιές συνεπείς με τεντωμένα, θολά ή αντίστροφα βέλη του χρόνου.
Μια κβαντική εκδοχή των δαιμόνων του Maxwell
Αυτό το έργο παρήγαγε επίσης το περίφημο πείραμα σκέψης του 19ου αιώνα γνωστό ως «Το τέρας του Μάξγουελ». Σε αυτή την περίπτωση, ένας υποθετικός παρατηρητής θα τακτοποιούσε επιλεκτικά θερμά και ψυχρά σωματίδια, μειώνοντας προφανώς την εντροπία και αμφισβητώντας τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, ο οποίος δηλώνει ότι η εντροπία φυσικά αυξάνεται ή παραμένει σταθερή. (Η μεταγενέστερη φυσική έδειξε ότι ο δεύτερος νόμος δεν παραβιάζεται όταν λαμβάνονται υπόψη όλες οι πηγές θερμοδυναμικού κόστους.)
Το κβαντικό «τέρας» της ομάδας του Los Alamos χρησιμοποιεί πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος και τα αποτελέσματα των μετρήσεων για να παράγει παρόμοια ανώμαλη συμπεριφορά, αντιστρέφοντας αποτελεσματικά το κανονικό χρονικό βέλος του συστήματος.
Εξαγωγή ενέργειας από κβαντικές μετρήσεις
Οι νέες μέθοδοι ελέγχου επιτρέπουν στους ερευνητές να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια ρέει μέσα και έξω από τα κβαντικά συστήματα. Αυτή η δυνατότητα μπορεί να τροφοδοτήσει έναν κινητήρα συνεχούς μέτρησης που εξάγει χρήσιμη ενέργεια απευθείας από τη διαδικασία παρακολούθησης.
Σε αυτό το πλαίσιο, οι κβαντικές μετρήσεις γίνονται ένας θερμοδυναμικός πόρος που μπορεί να αξιοποιηθεί για την εκτέλεση εργασιών, όπως η οδήγηση άλλων κβαντικών διεργασιών ή η αποθήκευση ενέργειας σε μια κβαντική μπαταρία.
Κοιτάζοντας το μέλλον, οι ερευνητές σχεδιάζουν να επιδείξουν πειραματικά διαδικασίες μέτρησης με βάση το Hamiltonian για έλεγχο κβαντικής ανάδρασης χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα qubits. Αυτά τα συστήματα υποστηρίζουν γρήγορη απόκριση, εξαιρετικά αποτελεσματική ανίχνευση και έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση κβαντικών εκδόσεων των τεράτων του Maxwell. Μελλοντικές μελέτες θα εφαρμόσουν επίσης νέες τεχνικές για την ανάπτυξη προηγμένων πρωτοκόλλων προετοιμασίας κβαντικής κατάστασης.
Χρηματοδότηση: Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, το Γραφείο Επιστήμης, το Προηγμένο Επιστημονικό Ερευνητικό Πρόγραμμα Υπολογιστικών Υπολογιστών, το Πρόγραμμα Νομικής Πέρας του Μουρ του Προηγμένου Προγράμματος Προσομοίωσης και Υπολογιστών στο Λος Άλαμος και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.
