Физики придумали, как обращать время в квантовом компьютере вспять

Физики разработали теорию и алгоритм, с помощью которых в произвольной квантовой системе можно "отматывать время" назад, не зная ее состояния изначально. Благодаря этому ученые смогут проверять работоспособность сложных квантовых компьютеров, пишет пресс-служба МФТИ. Статью ученых опубликовал научный журнал Communications Physics.

"Один из наших прорывов – осознание и реализация на практике идеи о том, что квантовый компьютер можно использовать не как вычислитель, а как физический объект, кусочек материального мира, и эволюцией его состояния во времени можно поразительным образом управлять", – рассказал один из авторов работы, научный сотрудник Аргоннской национальной лаборатории США Валерий Винокур.

Одной из основ современной физики является концепция стрелы времени. Она подразумевает, что время движется в одну сторону, из прошлого в будущее, и "перемотать" его назад невозможно. С практической точки зрения это выражается в том, что уровень хаоса во Вселенной постоянно и неуклонно растет.

Эта идея, которая лежит в основе второго закона термодинамики, считается нерушимым правилом, которое управляет существованием Вселенной на всех уровнях. По этой же причине вечный двигатель никогда не станет реальностью.

Три года назад ученые из МФТИ выяснили, что на квантовом уровне второе начало термодинамики может нарушаться. Благодаря этому они создали квантовый аналог "демона Максвелла" – гипотетического существа, которое может сортировать быстрые и медленные молекулы, а также обратить время вспять внутри квантового компьютера.

Обращение "стрелы времени"

В своей новой работе Винокур и его коллега из МФТИ Андрей Лебедев доказали, что нечто подобное можно проделать даже в том случае, если не знать, в каком состоянии квантовая система находилась до того, как время внутри нее повернули назад. Для этого ученые заново теоретически описали это явление и квантовый алгоритм, который может его реализовать.

Согласно их вычислениям, развернуть "стрелу времени" в произвольной квантовой системе можно, если соединить ее с другим набором кубитов – квантовый аналог бита, наименьший элемент хранения информации в квантовом компьютере. По мысли ученых, эти частицы должны периодически нагреваться и участвовать в определенных логических операциях, которые физики называют "неполным квантовым перебросом". Если повторять эту процедуру достаточно долго, время в первой квантовой системе начнет "идти назад", временно вернув ее в прошлое.

Для этого нужно гораздо больше вычислительных ресурсов, энергии и усилий, чем для предыдущего алгоритма Винокура и его коллег. Однако в данном случае ученым не нужно совершать операцию, которую сложно осуществить для квантовых компьютеров с большим числом кубитов, – хранить данные о прежнем состоянии системы.

Пока такой эксперимент, как отмечают исследователи, проделать проблематично. Дело в том, что все существующие прототипы квантовых компьютеров созданы таким образом, чтобы минимизировать воздействие тепла на их кубиты. С другой стороны, этого можно легко добиться, если внести минимальные изменения в конструкцию их ячеек памяти. Это оставляет надежду на то, что создатели квантовых вычислительных машин проведут такие опыты уже в ближайшее время.

Их интерес к подобным опытам, как отмечают Винокур и его коллеги, может увеличиться еще и потому, что благодаря такому подходу можно максимально эффективно и точно проверять работоспособность квантовых компьютеров. Просчитать их поведение уже сейчас невозможно даже с помощью самых мощных классических суперкомпьютеров.

С другой стороны, их работу можно проверить за очень короткое время, если реализовать на их основе какой-то сложный квантовый алгоритм, провести вычисления и затем "перемотать" время назад, проверяя, вернется ли квантовая система к исходной точке. Это подтвердит работоспособность машины или укажет на возможные проблемы в ее конструкции, заключают исследователи.