От хаоса к порядку: российские физики изобрели машину времени

Путешествия во времени возможны, хотя и в крайне узком смысле этого слова. К такому выводу пришли физики из Московского физико-технического института (МФТИ) вместе с коллегами из США и Швейцарии. Они сумели привести систему – квантовый компьютер – в исходное состояние, что, с формальной точки зрения, и есть прошлое. О своей работе группа ученых рассказала в Scientific Reports.

Ведущий автор исследования, завлаб физики квантовых информационных технологий МФТИ Гордей Лесовик объяснил, что это их третья работа из серии, посвященной возможности нарушить второй закон термодинамики. Который, в самом общем смысле, утверждает необратимость физических процессов.

«Сначала мы описали локальный вечный двигатель второго рода. В декабре вышла наша работа, где второе начало локально нарушается за счет специального устройства, демона Максвелла. И вот теперь мы подошли к проблеме с третьей стороны – искусственно создали такое состояние системы, которое само развивается в обратную, с точки зрения второго начала термодинамики, сторону», – пояснил ученый.

Физические законы не делают того различия между прошлым и будущим, которое встречается в популярной литературе. Ведь уравнения, через которые описывается мир, позволяют системам двигаться в произвольном порядке. Это можно сравнить с видеозаписью, прокрученной в обратную сторону. Однако в реальности этого не происходит, потому что системы самопроизвольно двигаются к состоянию хаоса, что характеризуется ростом энтропии.

Соавтор исследования из МФТИ и Федеральной высшей технической школы Цюриха Андрей Лебедев объяснил, что в работе они смоделировали поведение электрона, эволюция которого описывается уравнением Шредингера.

Так, в начале отсчета электрон находится в определенном участке пространства, после чего «расползается». Поскольку уравнение обратимо, теоретически электрон может точно так же и локализоваться, то есть вернуться вспять.

Теоретически – это, как высчитали авторы исследования, возможно заметить. Например, если каждую секунду находить и наблюдать 10 млрд электронов в пустом пространстве. Тогда времени жизни Вселенной – 13,7 млрд лет, должно хватить, чтобы увидеть ситуацию один раз. Разумеется, в макроскопических явлениях электронов больше, поэтому для того, чтобы увидеть, как время обращается вспять своими глазами, придется подождать дольше на миллионы или даже миллиарды порядков.

Не желая ждать этого, ученые решили создать такую ситуацию искусственно, а затем обернуть ее вспять. Вместо электрона под наблюдение попал квантовый компьютер из сначала двух, а затем трех элементов – сверхпроводящих кубитов.

Внешне это можно представить как бильярдный стол, где вначале шары собраны в пирамиду, а после удара разлетаются (электрон локализован и электрон «размазывается»). Стоит отметить, что «удар» произошел бы в любом случае, поскольку реальный бильярдный стол – не изолированная система. На третьей стадии происходит запланированное и точно рассчитанное воздействие, словно кто-то потряс бильярдный стол так, что шары собрались в пирамиду снова.

В 85% случаев компьютеру с двумя кубитами удалось отмотать ситуацию вспять, компьютеру с тремя кубитами – в половине случаев. Ошибки, как полагают авторы, связаны с несовершенством компьютеров, поэтому в дальнейшем их станет меньше.

С точки зрения физики, такая ситуация в изолированной системе является локальным путешествием во времени. Однако чтобы говорить о полноценном перенесении в прошлое, следует вернуть с исходное состояние не один электрон, а все. А кроме того, в этом эксперименте второй закон термодинамики не нарушается – речь идет только о возможной модели нарушения. Ведь на просчитывание вариантов воздействия тратится энергия, то есть система не изолирована. По сути, это аналог так называемого демона Максвелла - гипотетического эксперимента, предложенного полтора века назад британским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом.