На субатомном уровне, где действуют законы квантовой механики, происходят особые явления, такие как суперпозиция, которая подразумевает, что квантовая частица может находиться в двух состояниях одновременно, или запутывание частиц — это означает, что они имеют квантовые состояния, которые зависят друг от друга, независимо от расстояния между ними. Из явления запутанности вытекает квантовая телепортация, которая заключается в передаче квантового состояния одной системы другой. Все эти аспекты квантовой механики в конечном итоге закладывают основу для путешествий во времени.
Мигель Наваскуэс и Дэвид Трилло, исследователи Института квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук, провели ряд теоретических и экспериментальных исследований совместно с исследователем Филипом Вальтером и Группой экспериментальной физики Венского университета. Команда продемонстрировала использование квантового переключателя для возвращения фотона в исходное состояние, прежде чем он пройдет через кристалл. «Используя фотонную платформу, мы достигаем средней точности перемотки более 95%«, — сообщают исследователи в журнале .
Обращение вспять изменений… не зная, что это были за изменения
В интервью испанской газете El País Мигель Наваскуэс объясняет открытие: «В кинотеатре [классическая физика] фильм показывают от начала до конца, независимо от того, чего хочет зритель. Но дома [в квантовом мире] у нас есть пульт дистанционного управления, с помощью которого мы можем управлять фильмом. Мы можем перемотать на предыдущую сцену или пропустить несколько сцен вперед«.
Наваскуэс и его коллеги разработали так называемый «протокол перемотки», который позволяет частице — независимо от ее природы и взаимодействия с другими системами — вернуться в предыдущее состояние. «Мы предполагаем, что целевая система неконтролируема — мы не знаем, как она развивается сама по себе или с другими системами, которые мы можем использовать для воздействия на нее. В этих обстоятельствах мы находим универсальные протоколы в рамках нерелятивистской квантовой теории, которые возвращают систему в состояние, которое она имела в произвольное время до того, как мы начали взаимодействовать с ней«, — объяснил физик в журнале Physical Review X несколько лет назад.
Эти протоколы «сброса» (или обратимости) последовательно посылают квантовые частицы в окрестности целевой системы и возвращают их в лабораторию, где их исследуют. Если возвращающиеся частицы удовлетворяют определенному коллективному свойству, целевая система возвращается в свое предыдущее состояние. Если нет, то можно запустить другой протокол, чтобы обратить вспять как естественную эволюцию цели, так и влияние на нее неудачных протоколов.
Недавно эта теория была реализована на практике с помощью «квантового переключателя», который позволяет управлять эволюцией фотона, проходящего через кристалл; в частности, исследователи смогли обратить вспять временную эволюцию одного фотона, не зная, как он изменился со временем, или даже каковы были его начальное и конечное состояния. «Захватывающим является то, что [частицы] могут вернуться в состояние, о котором вы ничего не знаете. […] Вы можете запустить его, не зная системы, ее внутренней динамики или даже деталей взаимодействия между системой и экспериментатором«, — сказал Филипп Вальтер испанской газете.
Протокол перемотки, разработанный командой, универсален: он может действовать на любой кубит и возвращать его в состояние, в котором он находился до начала эксперимента. При этом он удивительно эффективен: исследователи сообщают, что средняя точность перемотки составляет более 95%.
Конечно, это применимо только к субатомному миру, и масштабирование этого подхода представляется сложным. «Если бы мы могли запереть человека в коробке без какого-либо внешнего воздействия, то теоретически это было бы возможно. Но с имеющимися на сегодняшний день протоколами вероятность успеха была бы очень и очень низкой«, — говорит Наваскуэс. Существует также проблема количества хранимой информации: фотон может хранить один кубит, но человек содержит гораздо больше информации! Тогда процесс инверсии займет неизмеримое количество времени.
Команда также подчеркивает, что их открытие не похоже на машину времени: оно предполагает изменение физического состояния системы, но время продолжает идти. Так, чтобы вернуться к состоянию пятиминутной давности, потребуется пять минут, точно так же как процесс приведения системы в состояние будущего займет время, которое отделяет нас от этого будущего. «Вы не можете создать время из воздуха. Чтобы состарить систему на 10 лет за один год, нужно откуда-то взять остальные девять лет«, — говорит Наваскуэс.
Однако исследователи сделали открытие, которое может помочь ускорить время: «Мы обнаружили, что можно передавать эволюционное время между идентичными физическими системами. В эксперименте с десятью системами, рассчитанном на один год, можно украсть по одному году у каждой из первых девяти систем и отдать их все десятой«, — говорит физик.
Доказательство того, что универсальные протоколы перемотки существуют и технически осуществимы, вносит вклад в наше понимание фундаментальной квантовой механики. Они могут стать полезным инструментом в квантовой информационной технологии, например, для отмены ошибок или нежелательного развития событий. Но реальные машины времени останутся в сфере научной фантастики.