В квантовом мире будущее влияет на прошлое

Эксперимент показал, что анализ прошлого и будущего квантовой системы «предсказывает» ее состояние более точно, чем просто анализ будущего

Эксперимент показал, что анализ прошлого и будущего квантовой системы «предсказывает» ее состояние более точно, чем просто анализ будущего. Сложно? Давайте разберемся. Мы настолько привыкли к детективным историям, что даже не замечаем, как автор играет со временем. Обычно убийство происходит до середины книги, но читателю видно только черное пятно, и, как правило, он узнает, что случилось, только на последней странице.

Если вырвать из книги последнюю страницу, как считает физик Катер Марч из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, как читатель лучше поймет, что случилось: дочитав до момента с вырванной страницей или прочитав всю книгу целиком? Ответ слишком очевиден в случае с детективом, но далеко не так просто в мире квантовой механики, где неопределенность является фундаментальной, а не привлеченной для радости чтения.

Даже если вы знаете все, что квантовая механика может рассказать о квантовой частице, говорит Марч, вы не можете с уверенностью предсказать исход простого эксперимента по измерению ее состояния. Все, что может предложить квантовая механика, это статистическая вероятность возможных результатов.

Расхожее мнение гласит, что эта неопределенность представляет собой не дефект теории, а скорее природный факт. Состояние частицы не просто неизвестно, а воистину не определено до измерения. Акт измерения сам по себе заставляет частицы коллапсировать до определенного состояния.

В журнале Physical Review Letters, выпуск которого состоится 13 февраля, Катер Марч описывает способ сузить шансы на удачное определение. Объединив информацию об эволюции квантовой системы после точки отсчета с информацией об ее эволюции до этого времени, физик в лаборатории смог сузить шансы на верное определение состояния системы из двух с 50/50 до 90/10.

Это как если бы то, что мы делали сегодня, изменило вчерашнее. И, как следует из этой аналогии, результаты эксперимента имеют жуткое значение для времени и причинности — по крайней мере в микроскопическом мире квантовой механики.

Измерение фантома

До недавнего времени физики могли исследовать квантово-механические свойства отдельных частиц только в процессе мысленных экспериментов, поскольку любая попытка наблюдать их напрямую приводила к тому, что частицы прятали свои таинственные квантовые свойства.

В 1980-90 годах физики изобрели устройства, позволявшие им измерять эти хрупкие системы так осторожно, что те даже не коллапсировали внезапно до определенного состояния. Устройство, которое использовал Марч, представляет собой простой сверхпроводящий контур, который входит в квантовое пространство, когда охлаждается почти до абсолютного нуля. Команда Марча использовала два нижних энергетических уровня этого куба, основное и возбужденное состояние, в своей модели квантовой системы. Между этими двумя состояниями есть бесконечное число квантовых состояний, которые представляют собой суперпозиции, или комбинации, основного и возбужденного состояний.

Квантовое состояние цепи обнаруживается путем помещения ее в микроволновую коробку. Несколько микроволновых фотонов отправляются в коробку, где их квантовые поля взаимодействуют со сверхпроводящим контуром. Когда фотоны покидают коробку, они несут информацию о квантовой системе.

Важно отметить, что эти «слабые», внерезонансные измерения не беспокоят кубит, в отличие от «сильных» измерений с фотонами, которые в резонансе с разницей энергий между двумя состояниями, выбивающем цепь в одно или другое состояние.

Квантовая угадайка

В работе Марч описывает квантовую угадайку с кубитом:

«Всякий раз мы начинаем с помещения кубита в суперпозицию из двух состояний, — говорит он. — Затем проводим сильное измерение, но прячем результат, продолжая наблюдать за системой со слабыми измерениями».

Затем ученые пытаются угадать скрытый результат, словно версию убийства, которая осталась на вырванной странице детектива.

«Расчеты на будущее с применением уравнения Борна, которые выражают вероятность нахождения системы в определенном состоянии, гарантируют вам шансы на правильный ответ в 50% случаев, — говорит Марч. — Но вы также можете посчитать его наоборот, используя определенный матричный эффект. Просто возьмите все уравнения и переверните. Они будут работать и вы можете просто запустить траекторию назад».

«Таким образом, если взглянуть на обратную и впередиидущую траектории и взвесить их информацию в равной степени, мы получим некий прогноз задним число, или ретродикцию».

Интересного в этом ретрогнозе (вместо прогноза) то, что он на 90% точен. Когда физики проверили его по сохраненным измерениям раннего состояния системы, они угадали в 9 случаях из 10.

Вниз по кроличьей норе

Квантовая угадайка может пригодиться в разработке квантовых компьютеров и квантового управления открытыми системами вроде химических реакций, сделав их более надежными. Также она может иметь последствия для более глубоких проблем в физике.

С одной стороны, она предполагает, что в квантовом мире время течет назад и вперед, тогда как в классическом мире оно течет только вперед.

«Я всегда думал, что измерение должно решать вопрос временной симметрии в квантовой механике, — говорит Марч. — Если мы измеряем частицу в суперпозиции состояний и она коллапсирует в одно из двух состояний, что ж, похоже на то, что этот процесс — движение времени вперед».

Но эксперимент с квантовой угадайкой вернул симметрию времени. Улучшенные шансы на прогноз означают, что квантовое состояние каким-то образом объединяет информацию из будущего и прошлого. И это означает, что время в квантовом мире представлено двуглавой стрелой.

«Непонятно, почему в реальном мире, состоящем из множества частиц, время движется только вперед и энтропия всегда возрастает, — говорит Марч. — Но многие работают над этой проблемой, и думаю, что она будет решена через пару лет».

Тем не менее существует ли в мире, где время симметрично, такие вещи, как причина и следствие? Чтобы выяснить это, Марч предлагает запустить эксперимент с кубитом, который создаст петли обратной связи (цепочки причин и следствий), и попробовать запустить их вперед и назад. «На один такой эксперимент уйдет 20-30 минут, несколько недель на анализ и год на почесывание репы и попытки понять, сошли мы с ума или нет. В любом случае меня утешает тот факт, что у нас есть настоящий эксперимент и настоящие данные».