时间箭头 - 科学

来自莫斯科物理科学与技术研究所的科学家以及他们的美国和瑞士同事将一台量子计算机的状态恢复到了过去。此外，他们计算出空星际空间中的电子可以自发地进入其近期的概率。这项工作发表在科学报告期刊上。

“这是一系列针对违反热力学第二定律的可能性的作品之一-物理学定律，这是密切与时间之矢的概念有关，在过去和未来之间的差异，  -说，这项研究的主要作者Gordey Lesovik，量子信息技术MIPT的物理教研室主任，  -首先，我们描述第二种局部永动机。12月，我们的作品问世了，第二个开始在当地受到特殊装置麦克斯韦恶魔的干扰。现在我们从第三方面来解决这个问题 - 人为地创造了这样一个系统状态，从第二个开始的角度来看，它本身就是在相反的方向发展的。“

时间从何而来

物理定律在很大程度上不区分过去和未来。例如，一个等式可以描述两个相同颜色的台球的碰撞和回弹。如果你在视频上录制这个过程并以相反的方向播放，那么在没有额外提示的情况下，不清楚哪个版本是“真实的”：从过去到未来或从未来到过去。该等式同时描述了这两种情况。“从过去到未来”版本没有优先权。

然而，如果你在视频上拍照，当一个台球打破金字塔然后播放记录时，那么即使是第一次看到这个游戏的人也能够将真实场景与梦幻场景区分开来。在这种情况下，观察者直观地依赖于热力学第二定律。他说，如果一个系统没有来自外部的能量涌入，那么它要么保持其状态，要么自发地走向混乱，而不是秩序。

大多数其他物理定律并不禁止滚球本身进入金字塔，溶解在玻璃杯中的茶应该收集在一个袋子里，火山喷发回来。但是我们没有观察到所有这些过程，因为它们需要自发地排序孤立系统，这与热力学第二定律相矛盾。第二个原则的性质没有得到详细解释，但科学家在理解基本原理方面取得了重大进展。

时间本身可以逆转吗？

来自MIPT的量子物理学家决定检查时间是否有可能至少对于单个粒子至少在瞬间反转。他们没有使用台球，而是看着空星际空间中的一个电子。

“假设在观察的最初时刻电子是局部的。这意味着我们几乎肯定知道他在哪里。根据量子力学定律找到一个特定的点并不起作用，但是你可以描绘电子局部化的一小部分空间，  “该研究的共同作者，莫斯科物理科学与技术学院和苏黎世联邦高技术学院的Andrei Lebedev说。

正如物理学家解释的那样，电子的进一步演化由薛定谔方程描述。该等式不区分过去和未来，但是电子局部化的空间部分将在瞬间“展开”。系统趋于混乱 - 随着时间的推移，我们对电子位置的了解越来越少。不确定性正在增长。单个粒子的状态的这种行为类似于由热力学第二定律描述的大系统的熵的增加。

“然而，薛定谔方程是可逆的，  ”共同作者，来自美国阿贡国家实验室的瓦列里·维诺库尔说。 “从数学的角度来看，这意味着如果你对它进行某种变换（复共轭），所得到的等式将描述”涂抹“电子在它进入”扩散“的同一时间如何被定位回来。尽管在自然界中没有观察到这种现象，但理论上它可能由于CMB辐射的随机波动而发生，其甚至渗透到星际空间中。

作者计算了观察电子如何在一小段时间内“涂抹”然后自发定位的可能性。事实证明，即使每秒发现并轮流观看悬空在空间中的100亿个“新定位”电子，那么宇宙的整个生命周期（137亿年）足以看到电子态的反向演化只有一次。然后我们谈论的是电子回归过去，而不是一分钟或者一秒钟，而是大约一百亿分之一秒。

显然，宏观现象（球的碰撞等）中涉及大量电子，并且发生的事情持续时间长得无比长。因此，我们特别注意到人们看起来更年轻，纸上的墨水污点会下降。

如何让时间倒流

接下来，科学家们试图在实验中重新开始计时。观察量子计算机的状态而不是电子，首先包括两个，然后是三个元素 - 超导量子位。该实验包括四个阶段。

量子计算机实验的四个阶段重复了太空中电子的思想实验的类似阶段，以及台球的奇妙例子。所有这三个系统都从秩序发展到混乱，之后由于确切的外部影响，它们的状态突然发生变化，并开始向相反的方向发展。插图：  @tsarcyanide，MIPT新闻服务

顺序阶段：所有量子位都被带到状态“0”，这被称为主要状态。这个时刻对应于电子在一小部分空间中的定位。系统是有序的 - 比喻说，台球排列在金字塔中。

然后是退化阶段，秩序就失去了。就像电子在太空中传播，金字塔被撞击打破一样，量子比特的状态开始以一种奇怪的方式变得更加复杂。为此，计算机化的进化计划将在短时间内启动。由于与环境的相互作用，这种退化会以某种方式发生，因为系统趋于混乱。但是受控制的自主系统演化计划将使实验的最后阶段成为可能。

然后有一个时间逆转。一个特殊的程序改变了量子计算机的状态，以便将来它从混乱到有序发展。该操作类似于电子情况下的随机场波动，现在只是故意的。在金字塔的例子中 - 你可以想象有人如何用无限精确的计算来踢或震动台球桌。

最后，在再生阶段，重新启动相同的进化程序，之前导致混乱增加。如果“踢”成功，那么量子比特的状态开始回到过去，好像模糊的电子再次被定位，并且球从过去沿着它们的路径向后传递，将形成金字塔。

科学家发现，在85％的情况下，转换后，两个量子比特的计算机确实恢复到原始状态。在发生三量子位错误的情况下更常发生 - 在一半的情况下。然而，据作者说，这可以通过量子计算机的不完美来解释。随着技术的发展，错误将减少。

而且，时间反转算法本身也可以使量子计算机在未来更加准确。

“我们的算法可以被改进并用于检查量子计算机的程序，以及消除其工作中的干扰和失败，  ” Andrei Lebedev解释说。

 来自莫斯科物理科学与技术学院（Gordey Lesovik，Andrei Lebedev，Mikhail Suslov），苏黎世联邦高等技术学院（Andrei Lebedev），美国阿贡国家实验室（Valery Vinokur，Ivan Sadovsky）的科学家参加了这项工作。

本文章翻译自：https://zanauku.mipt.ru/2019/03/13/strela-vremeni/