Двум разным исследовательским группам удалось заставить фотон путешествовать во времени одновременно назад и вперед - явление, известное как квантовое обращение времени. Этот эксперимент может иметь последствия для создания квантовых компьютеров, а также может помочь в разработке теории квантовой гравитации.
В нашем масштабе время течет только в одном направлении; события, которые происходят, обычно в четко определенном причинно-следственном порядке, не могут быть обращены вспять. С другой стороны, в квантовой физике подобное вполне возможно: в субатомном масштабе не существует асимметричного различия между прошлым и будущим, и два события могут быть истинными одновременно. Более того, каждое квантовое состояние может быть эквивалентно нескольким значениям одновременно, пока не будет произведено измерение - это известно как принцип суперпозиции, иллюстрируемый, в частности, знаменитым котом Шредингера, который остается одновременно мертвым и живым, пока не будет открыта коробка.
Исследователи из Оксфордского университета под руководством физика Джулио Чирибеллы объединили эти две фундаментальные концепции в попытке описать, как может выглядеть суперпозиция процессов, движущихся как вперед, так и назад во времени, которую они называют "квантовым обращением времени". Квантовая физика допускает суперпозицию состояний, поэтому возможно, что она допускает суперпозицию процессов. Для Чирибеллы, который описал эту концепцию в начале этого года, это сродни коту Шредингера для направления времени.
Стрела времени рассматривается как суперпозиция временных процессов
"Представление о времени, текущем в определенном направлении, из прошлого в будущее, глубоко укоренилось в нашем мышлении. Однако на микроскопическом уровне законы природы, похоже, безразличны к различию между прошлым и будущим", — пишут Чирибелла и Зиксуан Лю в статье, опубликованной этим летом в журнале Communication Physics. В этом исследовании они создали математическую основу для квантовых операций с неопределенным направлением времени и неопределенным причинно-следственным порядком.
Сегодня они объясняют, как им удалось экспериментально продемонстрировать, что квантовое обращение времени действительно возможно. Для этого они использовали фотонный расщепитель, в котором каждая частица света разделяется на два отдельных пути через кристалл, один из которых проходит справа налево, а другой - слева направо. По пути справа налево фотон двигался нормально; однако в другом направлении, исходя из характеристик поляризации света кристаллом, на поляризацию фотона оказывалось такое же влияние, как если бы он двигался назад во времени.
Во время эксперимента невозможно было определить, по какому пути идут фотоны, поскольку в каждый момент времени они находились в суперпозиции двух путей. В конце пути исследователи могли рекомбинировать расщепленный фотон, чтобы измерить его поляризацию. Проведя достаточное количество опытов, они статистически доказали, что фотоны обязательно находятся в суперпозиции путей и, следовательно, двух временных процессов.
"Наши результаты устанавливают неопределенность входа-выхода как новый источник для квантовых информационных протоколов и позволяют проводить моделирование гипотетических сценариев, в которых стрела времени может находиться в квантовой суперпозиции", — заключают они в своей препринт-статье. Параллельно команда из Венского университета под руководством Теодора Стрёмберга провела аналогичные эксперименты, также продемонстрировав квантовое обращение времени вспять.
На пути к новой теории квантовой гравитации
Затем исследователи обратили внимание на возможное применение своего открытия. Чирибелла и его коллеги задались целью изучить взаимосвязь между двумя квантовыми логическими воротами, в которых входы и выходы могут быть обращены (т.е. вычислены) в обоих направлениях. Затем они обнаружили, что это возможно для каждой пары логических ворот только при наличии квантового обратного хода времени.
В итоге обе команды показали, что суперпозиция процесса и его временной инверсии подразумевает существование вычислительных задач, с помощью которых можно превзойти процессы, в которых время течет в определенном направлении.
Полезность этого открытия пока не ясна, но эксперты отмечают, что важность квантовой суперпозиции также не была очевидна, когда она была открыта, хотя сейчас она играет важную роль в работе квантовых компьютеров. Поэтому возможно, что суперпозиция направлений времени однажды приведет к другим инновациям.
Это также может привести к созданию новой теории квантовой гравитации, которая, наконец, позволит объединить квантовую механику с общей относительностью. Некоторые эксперты, включая Люсьена Харди, физика-теоретика из Института Периметра, ожидают, что эта теория будет основана на "причинной неопределенности", которая подразумевает суперпозиции различных направлений времени. В более широком смысле, это открытие ставит под вопрос само определение направления времени, которое определенно не кажется фундаментальным на квантовом уровне.
