莫斯科物理與技術研究所研究人員與來自美國和瑞士的同事合作，將量子計算機的狀態恢復到過去的幾分之一秒。他們還計算了真空星際空間中的電子自發地回到它最近過去的概率，這項研究發表在《科學報告》上。這是一系列關於違反熱力學第二定律可能性的論文之一。這一定律與時間之箭的概念密切相關，時間之箭假定時間從過去到未來是單向的。研究首先描述了一種所謂的第二類局部永動機。去年12月發表了一篇論文，討論通過一種叫做麥克斯韋妖的裝置違反第二定律問題。
是什麼讓未來不同於過去？
博科園-科學科普：最近發表的一篇研究論文從第三個角度探討了同樣的問題：我們人為地創造了一種狀態，它朝著與熱力學時間箭頭相反的方向發展。大多數物理定律對未來和過去沒有區別。例如，讓一個方程描述兩個相同檯球的碰撞和反彈。如果用攝像機記錄下該事件的近景，然後反過來播放，它仍然可以用相同的方程表示。此外，如果錄音被篡改，就不可能從錄音中分辨出來。兩種說法看起來都有道理。檯球似乎違背了時間的直覺。然而，想象一下，記錄一個主球打破“檯球金字塔”，檯球分散在各個方向。在這種情況下，很容易區分真實場景和反向回放。
後者之所以看起來如此荒謬，是因為我們對熱力學第二定律的直覺理解：一個孤立的系統要麼保持靜止，要麼朝著混沌而非有序的狀態發展。大多數其他物理定律都不能阻止滾動的檯球聚集成金字塔，注入的茶不能流回茶袋，火山也不能反向“噴發”。但這些現象沒有被觀察到，因為它們需要一個孤立的系統在沒有任何外部干預情況下假定一個更有序的狀態，這違反了第二定律。這一定律的性質尚未得到充分的解釋，但研究人員在理解其背後的基本原理方面取得了很大進展。
自發的時間逆轉
來自MIPT量子物理學家決定檢查時間是否可以自發地逆轉，至少對於單個粒子和一小部分秒。也就是說，他們沒有對撞檯球，而是研究了星際空間中一個孤立的電子。假設我們開始觀察電子時，它是局域的。這意味著我們非常確定它在空間中的位置。量子力學定律使我們無法絕對精確地瞭解它，但我們可以勾勒出一個電子定位的小區域。研究的物理學家解釋說：電子態的演化受薛定諤方程控制。雖然它對未來和過去沒有區別，但含有電子的空間區域將很快地擴展開來。
也就是說，系統趨向於變得更加混亂。電子位置的不確定性在增加。由於熱力學第二定律，這類似於大型系統(如檯球桌)中無序度的增加。來自美國阿貢國家實驗室的論文合著者瓦萊裡·維諾庫說：然而，薛定諤方程是可逆的，從數學上講，這意味著在一種稱為複共軛的變換下，這個方程將描述一個‘被汙染的’電子在同一時間內重新定位到一個小空間區域。雖然這種現象在自然界中沒有被觀察到，但理論上它可能是由於宇宙微波背景的隨機波動而發生。
量子計算機上實際實驗的四個階段反映了思想實驗的各個階段，包括空間中電子和檯球的想象類比。這三種系統最初都是從有序向混沌演進，但隨後一個完全定時的外部擾動逆轉了這一過程。圖片：tsarcyanide/MIPT
研究小組開始計算觀察到一個電子在不到一秒的時間內自動定位到最近位置的概率。結果表明，即使在整個宇宙的生命週期中（138億年）每秒鐘觀察到100億個新定位的電子，粒子狀態的反向演化也只會發生一次。即使在那時，電子進入過去的時間也不會超過十億分之一秒。涉及檯球和火山的大規模現象顯然以更大時間尺度展開，並以數量驚人的電子和其他粒子為特徵。這就解釋了為什麼我們沒有觀察到老年人變年輕或墨跡從紙上分離出來。
根據需要逆轉時間
研究人員試圖在一個四階段實驗中逆轉時間，他們觀察的不是電子，而是由兩種後來被稱為超導量子位元的基本元素構成的量子計算機狀態。
階段1：秩序。每個量子位元在基態初始化，表示為零。這種高度有序的結構對應於一個小區域內的電子，或者是一個檯球架。
階段2：演進。秩序混亂了，就像電子被塗抹在越來越大的空間區域上，或者架子被打碎在臺球桌上，量子位元的狀態變成了一個由0和1組成的越來越複雜變化模式。這是通過在量子計算機上簡單地啟動進化程序來實現的。實際上，由於與環境的相互作用，類似的逆轉也會自行發生。然而，自主發展受控程序將使實驗的最後階段成為可能。
階段3：時間逆轉。一個特殊程序可以改變量子計算機的狀態，這樣時間就可以“向後”逆轉，從混沌走向有序。這種操作類似於電子情況下的隨機微波背景漲落，但這一次，是被故意誘導的。對於檯球的例子，一個明顯牽強附會的類比是，有人給了桌子一個經過完美計算的踢腳。
階段4：再生。第二階段的演進計劃再次啟動。如果“踢”成功了，程序不會導致更多的混亂，而是將量子位元的狀態倒回過去，就像弄髒的電子會被定位，或者檯球會在反向回放中沿著軌跡折回，最終形成一個三角形。
研究人員發現，在85%的情況下，雙量子位量子計算機會回到初始狀態。當涉及到三個量子位元時，會發生更多的錯誤，導致大約50%的成功率。研究作者表示：這些誤差是由於實際量子計算機的缺陷造成。隨著更復雜設備的設計，錯誤率預計會下降。有趣的是，時間反轉倒流算法本身可以證明對量子計算機更精確有用。列別捷夫解釋說：我們的算法可以更新，並用於測試為量子計算機編寫的程序，消除噪音和錯誤。
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