Физики из МФТИ и Аргоннской национальной лаборатории разработали теоретическую процедуру обращения во времени произвольного, неизвестного квантового состояния. Оказалось, что для этого систему необходимо нагреть. В будущем подобные операции послужат для контроля работы продвинутых квантовых компьютеров.

Работа ученых опубликована в журнале Communications Physics.

«Один из наших прорывов — осознание и реализация на практике идеи, 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», — рассказывает один из авторов исследования, сотрудник Аргоннской национальной лаборатории Валерий Винокур.

Без внешнего вмешательства состояние квантового чипа эволюционирует определенным образом — от порядка к хаосу. Интуитивное чувство времени основано на противопоставлении в целом более упорядоченного прошлого более хаотичному будущему замкнутой системы. В физике это называют стрелой времени, или асимметрией времени, и описывают вторым началом термодинамики.

В своем предыдущем эксперименте ученые на мгновение развернули стрелу времени для квантового чипа. Запущенный в упорядоченном состоянии квантовый компьютер короткое время эволюционировал в сторону нарастания хаоса, после чего на чип воздействовали алгоритмом обращения времени. Как следствие, компьютер выполнял все прежние действия с точностью до наоборот и пришел в исходное упорядоченное состояние.

Однако операция не была универсальной, так как необходимо было заранее знать состояние компьютера в момент пуска. С практической точки зрения неудобно зависеть от того, какое конкретное состояние обращается, так как при масштабировании эксперимента потребности в памяти растут очень быстро. Для решения этой проблемы ученые предложили универсальный алгоритм, позволяющий адаптироваться под любой сценарий. Для этого необходима вспомогательная система, содержащая все те же элементы, что и та, исходное состояние которой необходимо вернуть.

Как ни странно, алгоритм поиска упорядоченного состояния начинается с операции нагревания вспомогательной системы, процедуры, которая, казалось бы, должна только увеличить хаотичность. После этого вспомогательную систему необходимо отключить от термостата и осуществить неполный квантовый переброс энергии между системами.

В статье ученые привели формулу для расчета того, сколько раз нужно повторить этот цикл, чтобы восстановить состояния той или иной системы. Количество повторений крайне велико, и их величина растет с усложнением системы и отдалением момента в прошлом, в который она должна вернуться.

Для экспериментальной проверки теории с небольшим квантовым компьютером достаточно существующих сегодня технологий, проблема заключается только в том, что доступные квантовые компьютеры не оснащаются термостатами. Однако в будущем универсальные алгоритмы обращения времени могут быть использованы для подтверждения того, что квантовый компьютер работает исправно. Ведь если появится вычислитель, который заметно превзойдет все остальные компьютеры, его будет нечем проверить на возможные ошибки. Способность обращать во времени произвольное квантовое состояние позволит выполнить вычисления задом наперед. При этом неважно, какое именно состояние отматывается в прошлое. Все, что имеет значение, — пришла ли система к известной отправной точке.