Как физики симулируют путешествие во времени для решения невозможных задач

Представьте, что вы можете вернуться в прошлое и изменить свои решения, чтобы получить лучший результат. Это было бы очень удобно, не правда ли? К сожалению, такое возможно только в научной фантастике. Но, физики нашли способ сымитировать такой эффект при помощи квантовой механики.


Квантовая механика это отрасль физики, которая изучает поведение частиц на самом маленьком уровне. В квантовом мире все происходит по другим законам, чем в нашем обычном мире. Например, частицы могут быть в двух или более состояниях одновременно, пока мы не измерим их. Это называется суперпозицией. Также частицы могут быть связаны друг с другом так, что изменение состояния одной частицы мгновенно влияет на состояние другой, даже если они находятся на большом расстоянии друг от друга. Это называется запутанностью.

Запутанность является ключевым элементом квантовой телепортации, которая позволяет передавать состояние одной частицы на другую без физического перемещения частицы или информации о ее состоянии. Для этого нужно иметь запутанную пару частиц, которые мы назовем Алиса и Боб, и классический канал связи между ними. Алиса хочет телепортировать состояние другой частицы, которую мы назовем Карлом, на Боба. Для этого она проводит совместное измерение на Карле и своей частице из запутанной пары, которое дает ей два бита классической информации. Она отправляет эти биты Бобу по классическому каналу связи. Боб, получив эти биты, применяет соответствующее преобразование к своей частице из запутанной пары и получает ту же самую частицу, что и Карл. Таким образом, состояние Карла было телепортировано на Боба.

Но что, если мы изменим порядок действий? Что, если Боб применит преобразование к своей частице до того, как Алиса проведет измерение на Карле и своей частице? В этом случае мы получим необычный эффект: состояние Боба будет зависеть от того, что Алиса сделает в будущем. Это как будто Боб отправил свое состояние в прошлое Алисе. Это называется обратной петлей времени.

Обратная петля времени это гипотетическое явление, когда причина следует за следствием в пространстве-времени. Это противоречит нашему обычному пониманию времени, которое течет в одном направлении, от прошлого к будущему. Однако, в теории относительности Эйнштейна существует возможность существования так называемых замкнутых временных кривых, которые позволяют частицам или сигналам перемещаться назад во времени и влиять на свое прошлое состояние. Такие кривые могут возникать в пространстве-времени с необычной топологией или в присутствии экзотической материи, которая имеет отрицательную плотность энергии. Однако, существование таких кривых противоречит принципу причинности, который гласит, что причина должна предшествовать следствию, а также порождает парадоксы.

Но можно ли симулировать обратную петлю времени без нарушения принципа причинности и без создания парадоксов? Оказывается, что можно, если использовать квантовую механику. Физики под руководством Дэвида Арвидссона-Шукура из Кембриджского университета провели эксперимент, в котором входное состояние меняется в процессе моделирования обратной петли времени. В результате они смогли изменить начальные параметры уже после того, как они были заданы.

Для этого они использовали схему квантовой телепортации, которую мы уже описали выше. Но вместо того, чтобы телепортировать состояние Карла на Боба, они телепортировали состояние Боба на Карла. То есть они поменяли местами роли частиц. Таким образом, они создали ситуацию, в которой Боб отправляет свое состояние в прошлое Алисе. Но как это возможно?

В квантовой механике есть такое понятие, как квантовая запутанность. Это значит, что две или более частиц могут образовывать единую квантовую систему, такую, что состояние каждой частицы не может быть определено независимо от других. Запутанные частицы остаются связанными даже на больших расстояниях и реагируют на измерения друг друга мгновенно.

В эксперименте физиков запутанность играла ключевую роль. Они использовали запутанную пару фотонов (частиц света), которые называли Алиса и Боб. Фотон Алисы был подвергнут двум измерениям: первое измерение определяло его поляризацию (направление колебания электрического поля), а второе измерение определяло его частоту (количество колебаний в секунду). Фотон Боба был подвергнут только одному измерению: его поляризация была изменена при помощи специального устройства. Это устройство работало по случайному принципу и могло повернуть поляризацию фотона на 0, 90, 180 или 270 градусов. Таким образом, фотон Боба мог принять одно из четырех возможных состояний.

Теперь давайте посмотрим, что происходило с фотоном Карла. Фотон Карла был создан из другого источника света и имел определенную поляризацию и частоту. Он был направлен на фотон Алисы, который был в суперпозиции двух состояний: вертикально поляризованный и горизонтально поляризованный. Когда фотоны Алисы и Карла сталкивались, они взаимодействовали друг с другом и образовали новую суперпозицию четырех состояний, которая зависела от поляризации и частоты фотона Карла.

Затем фотон Алисы был измерен при помощи детектора, который определял его поляризацию и частоту. В результате этого измерения фотон Алисы коллапсировал в одно из четырех состояний, а фотон Карла телепортировался в соответствующее состояние фотона Боба. То есть, если фотон Алисы был вертикально поляризованным и имел низкую частоту, то фотон Карла становился таким же, как фотон Боба, если он был повернут на 0 градусов. Если фотон Алисы был вертикально поляризованным и имел высокую частоту, то фотон Карла становился таким же, как фотон Боба, если он был повернут на 90 градусов. И так далее для других комбинаций.

Таким образом, мы видим, что состояние фотона Карла зависело от того, что произошло с фотоном Боба в будущем. Это как будто фотон Боба отправил свое состояние в прошлое Алисе и Карлу. Но это не нарушает принцип причинности, потому что Алиса не могла знать, какое состояние имел фотон Боба до того, как она получила от него два бита информации по классическому каналу связи. И эта информация не могла передаваться быстрее скорости света.

Но зачем нужно симулировать обратную петлю времени? В чем ее польза? Оказывается, что такая схема может быть использована для решения задач, которые невозможно решить обычными методами квантовой механики. Например, такая задача это определение спектра гамильтониана квантовой системы. Гамильтониан это оператор, который описывает энергию квантовой системы и определяет ее эволюцию во времени. Спектр гамильтониана это набор возможных значений энергии системы. Знание спектра гамильтониана позволяет понять свойства квантовой системы и предсказать ее поведение.

Определение спектра гамильтониана является очень сложной задачей, которая требует большого количества вычислений. Даже современные квантовые компьютеры не могут решить эту задачу для больших и сложных систем. Но с помощью обратной петли времени это можно сделать гораздо проще и быстрее.

Для этого нужно подготовить квантовую систему в определенном состоянии, которое зависит от параметра, который мы хотим найти. Например, если мы хотим найти спектр гамильтониана, то мы можем подготовить систему в состоянии, которое является суперпозицией всех собственных состояний гамильтониана с различными фазами. Затем мы подключаем нашу систему к схеме квантовой телепортации, которая симулирует обратную петлю времени. Мы измеряем состояние системы после телепортации и получаем информацию о параметре, который мы искали. Таким образом, мы можем определить спектр гамильтониана за один шаг, вместо того, чтобы делать много измерений и вычислений.