Размышления о путешествиях во времени помогают решать задачи по физике

Путешествие во времени. Мало кто не задумывался об этом в тот или иной момент, и эта тема широко исследовалась в научной фантастике. Время от времени она даже становится предметом научных исследований, обычно связанных с квантовой механикой и тем, как четыре фундаментальные силы Вселенной (электромагнетизм, слабые и сильные ядерные взаимодействия и гравитация) взаимодействуют друг с другом. В недавнем эксперименте исследователи из Кембриджского университета показали, что, манипулируя квантовыми запутанностями, они могут смоделировать то, что могло бы произойти, если бы течение времени было обращено вспять.

 

Исследовательскую группу возглавил Дэвид Арвидссон-Шукур, квантовый исследователь из Кембриджской лаборатории Hitachi (HCL) Кембриджского университета. К нему присоединился Эйдан Г. МакКоннелл, доктор философии из Кембриджской Кавендишской лаборатории, Института Пауля Шеррера и Высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich); и Николь Юнгер Халперн, адъюнкт-профессор Объединенного центра квантовой информации и компьютерных наук (QuICS) и Института физических наук и технологий (IPST) Университета Мэриленда. 

 

В области квантовой теории запутанность описывает ситуацию, когда группа частиц генерируется, взаимодействует или разделяет близость таким образом, что их квантовые состояния становятся идентичными. Как физики наблюдали на протяжении более столетия, эти частицы будут оставаться в этом состоянии еще долгое время, даже если их могут разделить огромные расстояния (то, что Эйнштейн называл «жутким действием на расстоянии»). Это основа квантовых вычислений, где запутанные частицы используются для выполнения вычислений, которые слишком сложны для классических компьютеров.

 

Могут ли частицы путешествовать назад во времени или нет, также является предметом серьезных споров среди физиков. В то время как физики ранее моделировали модели того, как могут происходить такие «путешествия во времени», команда из Кембриджа применила новый подход, соединив свою теорию с квантовой метрологией, которая использует квантовую теорию для проведения высокочувствительных измерений. В результате команда Кембриджа показала, что запутанность может решить проблемы, которые иначе кажутся невозможными. 

 

«Представьте, что вы хотите отправить кому-то подарок: вам нужно отправить его в первый день, чтобы убедиться, что он доставлен на третий день. Однако вы получите список пожеланий этого человека только на второй день. Таким образом, в этом сценарии с соблюдением хронологии вы не можете заранее знать, что они захотят в качестве подарка, и убедиться, что вы отправите правильный подарок. Теперь представьте, что вы можете изменить то, что отправляете в первый день, на информацию из списка желаний, полученного на второй день. В нашей симуляции используются манипуляции с квантовой запутанностью, чтобы показать, как можно задним числом изменить свои предыдущие действия, чтобы гарантировать, что конечный результат будет именно тем, который вы хотите», — сказал Дэвид Арвидссон-Шукур.

 

В своем эксперименте команда запутала две частицы. Первый был отправлен для использования в эксперименте, а второй содержался отдельно. Затем эксперимент манипулировал второй частицей, чтобы эффективно изменить прошлое состояние первой частицы, изменив результат эксперимента. Чтобы продемонстрировать потенциальную значимость своего эксперимента для квантовых вычислений и других технологий, команда включила квантовую метрологию. В традиционных метрологических экспериментах фотоны подготавливаются перед введением в образец, а затем регистрируются специальной камерой.

 

Их результаты показали, что команда может использовать моделирование путешествий во времени, чтобы задним числом изменить исходные фотоны, даже если они научатся готовить фотоны только после достижения образца. Однако команда также отметила, что этот эффект наблюдался только в одном из четырех экспериментальных запусков, а это означает, что вероятность неудачи моделирования составляет 75%. Теоретики предлагают отправить множество запутанных фотонов, чтобы снизить высокую вероятность неудачи, зная, что некоторые из них в конечном итоге будут нести обновленную информацию.

 

Они также рекомендуют использовать фильтр для удаления «нескорректированных» фотонов, пока обновленные фотоны проходят в камеру. В лучшем случае, считает Арвидссон-Шукур, эксперимент даст желаемые результаты в четверти случаев, что равносильно получению желанного «подарка» в одном из четырех случаев. Более того, если «подарки» недорогие, многие из них можно отправлять в течение длительных периодов времени, что в конечном итоге приведет к статистически значимому количеству желаемых результатов. Конечно, Арвидссон-Шукур и его коллеги подчеркивают, что это не «путешествие во времени» в традиционном понимании.

 

«То, что нам нужно использовать фильтр, чтобы наш эксперимент сработал, на самом деле очень обнадеживает. Мир был бы очень странным, если бы наша симуляция путешествий во времени работала каждый раз. Теория относительности и все теории, на которых мы строим наше понимание нашей Вселенной, исчезнут из окна. Мы предлагаем не машину для путешествий во времени, а скорее глубокое погружение в основы квантовой механики. Эти симуляции не позволяют вам вернуться назад и изменить свое прошлое, но они позволяют вам создать лучшее будущее, решая вчерашние проблемы сегодня», — говорят они.