Ведущие ученые из Московского физико-технического института (МФТИ) совместно с зарубежными коллегами из США и Швейцарии совершили поразительный научный прорыв, показав возможность возвращения квантового компьютера на долю секунды в прошлое. Этот результат сам по себе не просто удивителен — он подвел к пересмотру фундаментальных представлений о втором законе термодинамики и природе времени, заставив заново взглянуть на концепцию “стрелы времени”.
Парадокс времени: как возникла “стрела времени”
Современная физика строится вокруг концепции необратимого течения времени, известного как “стрела времени”. В течение всей истории науки считалось, что время может двигаться только вперед — из прошлого к будущему. Это положение поддерживается вторым законом термодинамики, гласящим, что энтропия, или степень неупорядоченности, во Вселенной неуклонно растет. Так формируются устойчивые представления о том, что любые процессы идут от порядка к хаосу, а не наоборот.
Данный принцип формирует границы наших представлений о законах природы, объясняет невозможность существования “вечного двигателя” и фундаментальные ограничения в устройстве макромира. Поэтому сам факт посягательства на этот краеугольный камень физики вызывает неподдельный интерес научного сообщества.
Квантовый вызов: начало новых исследований в МФТИ
Несколько лет назад Гордей Лесовик и его команда из МФТИ впервые эмпирически показали, что второй закон термодинамики может быть нарушен на уровне квантовых частиц. Эти наблюдения дали пищу для нового понимания связи между микромиром и макромиром. Вдохновляясь знаменитой идеей “демона Максвелла”, призванного сортировать молекулы и снижать хаос в системе, ученые разработали концепцию “квантового демона”, способного локально уменьшать энтропию, то есть “разматывать” стрелу времени на квантовом уровне.
Вскоре после получения этих первых теоретических и лабораторных результатов коллектив исследователей МФТИ совместно с зарубежными партнерами задумался: можно ли использовать квантовые эффекты для выполнения обратимых операций в более сложных и распределённых системах? Ответить на этот вопрос им помогли достижения и доступность облачных квантовых платформ.
Обратимость времени в лабораторных условиях
В ходе революционного эксперимента ученые работали с квантовым компьютером IBM, построенным на совокупности кубитов — базовых квантовых вычислительных элементов. Квантовые компьютеры уже сейчас становятся ключевой технологией будущего благодаря своей способности моделировать явления, недоступные классическим вычислительным машинам.
Исследователи загрузили в систему из двух или трех кубитов специально подготовленные состояния. В первый этап эксперимента эволюция этих квантовых ячеек подчинялась “стандартному” сценарию: по мере вычислений уровень хаоса (энтропии) в системе неуклонно рос. Это подтверждало привычное действие второго закона термодинамики.
Однако затем команда Лесовика вмешалась в процесс, используя иной алгоритм, который “разворачивал” динамику вспять. В течение нескольких наносекунд система демонстрировала обратное течение времени — кубиты возвращались в свои исходные состояния, словно был “нажат” условный кнопкой возврата истории.
Редкая возможность, открывающая горизонты науки
Как подчеркивает Гордей Лесовик, вероятность того, что подобное явление случится само по себе, исключительно мала. По оценкам, реверс состояния элементарной частицы спонтанно может произойти лишь один раз за все время существования Вселенной, и даже тогда “откат” времени будет сверхнезначителен — примерно на 0,06 наносекунды.
Однако с помощью современных квантовых вычислительных систем ученым удалось искусственно инициировать этот процесс управляемо и повторяемо. Эксперимент показал, что для комбинации двух кубитов успешное возвращение к исходному состоянию происходило приблизительно в 80% случаев, а для трех кубитов эта вероятность составляла порядка 50%. Исследователи отмечают, что ограничения связаны в первую очередь с техническими особенностями текущих квантовых машин, а не с фундаментальными запретами.
Дальнейшее развитие квантовых платформ, их увеличение по числу рабочих кубитов и совершенствование алгоритмов откатывания должны привести к ещё более впечатляющим и надежным результатам.
Гордей Лесовик и команда: оптимизм и прорывные горизонты
Успех этого эксперимента не просто подчеркивает значимость работ Гордея Лесовика и МФТИ — он демонстрирует, что квантовая механика открывает совсем иной взгляд на законы природы, привычные нам по “обычной” физике. Возможность контролируемо “обращать” течение времени хотя бы для микроскопических систем на период считанных наносекунд свидетельствует о начале новой эры исследований.
Команда МФТИ объединяет усилия с коллегами по всему миру для разработки еще более эффективных алгоритмов “реверса времени”. Это позволит не только глубже понять основы функционирования микромира, но и ускорит создание новых поколений квантовых вычислительных машин, обладающих уникальными характеристиками.
Квантовые вычисления и новые перспективы управления временем
Перспективы, которые открывает данное открытие, далеко не ограничиваются теоретическими спорами о законах природы. Управление энтропией и временем на квантовом уровне может привести к созданию принципиально новых вычислительных подходов и технологий хранения информации. Манипуляции с состояниями кубитов предоставляют возможность разрабатывать совершенные системы защиты данных, новые методы оптимизации вычислений и даже открыть совершенно неизведанные направления в фундаментальной физике.
Оптимистичные взгляды ученых подкрепляются их готовностью двигаться дальше: продолжить исследования, расширять возможности квантовых платформ и неизменно радовать человечество свежими научными открытиями. Конечная цель — лучше понять не только фундаментальные законы Вселенной, но и научиться использовать их во благо будущих поколений.
Изображение логотипа с сайта МФТИ
