Фізики давно б’ються над загадкою «стріли часу» — спостереженням, згідно з яким у нашому повсякденному житті час рухається лише в одному напрямку: з минулого до майбутнього. Хоча класична фізика передбачає, більшість законів повинні однаково добре працювати як уперед, і назад, другий закон термодинаміки диктує, що системи природним чином прагнуть безладу (ентропії), створюючи для часу дорогу з одностороннім рухом.
Проте у сфері квантової механіки правила гри змінюються. Нові дослідження показують, що, маніпулюючи квантовими системами, вчені можуть ефективно «розгорнути» статистичний відбиток часу, потенційно перетворюючи сам процес вимірювання на джерело енергії для квантових батарей.
Імітація обігу часу в квантовому світі
У квантовій системі напрямок часу вимірюється не щогодини, а шляхом порівняння фізичних вимірів з математичними прогнозами. Коли ці виміри дотримуються певного статистичного патерну, ми визначаємо систему як «вперед», що рухається.
Дослідники з Лос-Аламоської національної лабораторії під керівництвом Луїса Педро Гарсія-Пінтоса розробили метод, що дозволяє перевернути цей патерн. Використовуючи інструменти точного керування, вони можуть протидіяти змінам, які відбуваються під час вимірювання.
«Якщо вимір мав підштовхнути мою систему вгору, я можу змусити її опуститися назад», — пояснює Гарсія-Пінтос. «Протидіючи ефективним вимірам, ми можемо створювати траєкторії, які більше відповідають процесу, що йде у зворотному напрямку, ніж у прямому».
По суті, команда не робить буквальну подорож у минуле; швидше, вони проектують еволюцію системи у зворотному порядку так, щоб вона поводилася так, ніби процес йде назад.
Від вимірювання до збору енергії
Цей прорив має велике значення для розробки квантових батарей і мініатюрних квантових двигунів. У стандартній квантовій механіці сам акт виміру системи – наприклад, перевірка спина кубіту – вносить енергію до цієї системи. Зазвичай цю енергію розглядають як побічний ефект або фактор, що порушує крихкий квантовий стан.
Нова методика змінює взаємозв’язок між виміром та енергією:
– Непрямий вимір: Вимірюючи властивість побічно, дослідники можуть спостерігати за кубитом, не руйнуючи його крихкий стан.
– Мікрохвильове маніпулювання: Використовуючи сигнали від цих вимірювань, вчені можуть застосовувати імпульси мікрохвильового випромінювання для керування системою.
– Переспрямованість енергії: Замість того щоб дозволяти енергії вимірювання розсіюватися або створювати безлад, цей метод перенаправляє її, фактично використовуючи вимірювання як термодинамічний ресурс.
Перевірка термодинамічної реальності
Хоча концепція «звернення часу» звучить як наукова фантастика, вона порушує фундаментальних законів фізики. Експерти зазначають, що цей процес залишається обмеженим законами термодинаміки.
Мауро Патерностро з Університету Квінс у Белфасті вказує, що зменшення безладу (навернення стріли часу) потребує зовнішнього припливу енергії. Для пояснення цієї ціни він використовує просту аналогію:
Уявіть захаращену дитячу кімнату. Щоб зменшити безлад та «розгорнути» хаос, ви повинні докласти зусиль і витратити енергію на прибирання.
У квантовому експерименті роль «прибирання» виконує зовнішній механізм управління (мікрохвильові імпульси та інструменти контролю). Енергія, витрачена на здійснення обігу, більша чи дорівнює енергії, отриманої в результаті, що гарантує: загальна ентропія Всесвіту все одно зростатиме.
Шлях вперед
Незважаючи на те, що дослідження є значним теоретичним та експериментальним стрибком, воно ще не стало універсальним рішенням. Поточна установка дуже специфічна і призначена для контрольованих умов, а це означає, що її буде непросто адаптувати до всіх типів реальних квантових систем.
Підводячи підсумок: навчившись маніпулювати статистичним напрямом квантових процесів, вчені знайшли спосіб перетворити руйнівний акт вимірювання на контрольований метод збирання енергії, прокладаючи шлях до створення майбутніх квантових накопичувачів енергії.
