PRL: Симуляции путешествий в прошлое помогут решать научные задачи

Физики показали, что моделирование гипотетических путешествий во времени позволяет решать экспериментальные задачи, которые, казалось бы, невозможно решить с помощью стандартной физики.

Если бы азартные игроки, инвесторы и квантовые экспериментаторы могли отклонять стрелу времени, то их преимущество было бы значительно выше, что привело бы к значительно лучшим результатам.

Исследователи из Кембриджского университета показали, что, манипулируя запутанностью — свойством квантовой теории, при котором частицы оказываются неразрывно связанными друг с другом, — они могут смоделировать, что может произойти, если человек будет путешествовать назад во времени. Таким образом, азартные игроки, инвесторы и квантовые экспериментаторы могут в некоторых случаях задним числом изменить свои действия в прошлом и улучшить результаты в настоящем.

Вопрос о том, могут ли частицы путешествовать назад во времени, является спорным среди физиков, хотя ранее ученые уже моделировали поведение таких пространственно-временных петель, если бы они существовали. Связав свою новую теорию с квантовой метрологией, которая использует квантовую теорию для проведения высокочувствительных измерений, команда из Кембриджа показала, что запутанность может решать задачи, которые в противном случае кажутся невозможными.

Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Представьте себе, что вы хотите послать кому-то подарок: вам нужно отправить его в первый день, чтобы он был доставлен на третий день, — говорит ведущий автор Дэвид Арвидссон-Шукур (David Arvidsson-Shukur) из Кембриджской лаборатории Hitachi.

Однако вы получаете список желаний этого человека только на второй день. Таким образом, в этом сценарии с учетом хронологии невозможно заранее узнать, что он захочет получить в подарок, и быть уверенным в том, что вы отправите именно то, что нужно.

«Теперь представьте, что вы можете изменить то, что вы посылаете в первый день, с помощью информации из списка пожеланий, полученного во второй день. Наше моделирование использует манипуляцию квантовой запутанностью, чтобы показать, как можно задним числом изменить свои предыдущие действия, чтобы окончательный результат был таким, как вы хотите».

В основе моделирования лежит квантовая запутанность, которая представляет собой сильные корреляции, которые могут разделять квантовые частицы и не могут классические частицы — те, которыми управляет обычная физика.

Особенность квантовой физики заключается в том, что если две частицы находятся достаточно близко друг к другу, чтобы взаимодействовать, они могут оставаться связанными даже будучи разделенными. На этом основаны квантовые вычисления — использование связанных частиц для выполнения вычислений, слишком сложных для классических компьютеров.

В нашем проекте экспериментатор запутывает две частицы, — говорит соавтор исследования Николь Юнгер Халперн, исследователь из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Мэриленда.

Затем первая частица отправляется для использования в эксперименте. Получив новую информацию, экспериментатор манипулирует второй частицей, эффективно изменяя прошлое состояние первой частицы, что приводит к изменению результатов эксперимента.

«Эффект поразительный, но он происходит только один раз из четырех!» — сказал Арвидссон-Шукур. „Другими словами, вероятность неудачи при моделировании составляет 75%. Но хорошая новость заключается в том, что вы знаете, если вы потерпели неудачу“. Если продолжить аналогию с подарком, то в одном случае из четырех подарок будет желанным (например, пара брюк), в другом — брюки будут не того размера или не того цвета, или же это будет пиджак».

Чтобы придать своей модели актуальность для технологий, теоретики связали ее с квантовой метрологией. В обычном эксперименте по квантовой метрологии фотоны — мелкие частицы света — светят на интересующий образец и затем регистрируются специальным типом камеры. Для того чтобы этот эксперимент был эффективным, фотоны должны быть определенным образом подготовлены до того, как они попадут на образец. Исследователи показали, что даже если они узнают, как лучше подготовить фотоны, только после того, как фотоны достигнут образца, они могут использовать моделирование путешествия во времени для ретроактивного изменения исходных фотонов.

Для борьбы с высокой вероятностью неудачи теоретики предлагают посылать огромное количество запутанных фотонов, зная, что некоторые из них в конечном итоге будут нести правильную, обновленную информацию. Затем с помощью фильтра обеспечить прохождение правильных фотонов в камеру, а остальные «плохие» фотоны отсеять.

Рассмотрим нашу предыдущую аналогию с подарками, — говорит соавтор работы Эйдан Макконнелл, который проводил это исследование во время учебы в магистратуре Кавендишской лаборатории в Кембридже, а сейчас является аспирантом Цюрихского технологического института (ETH).

Допустим, отправка подарков обходится недорого, и в первый день мы можем отправить множество посылок. На второй день мы знаем, какой подарок нам следовало бы отправить. К тому времени, когда посылки приходят на третий день, один из каждых четырех подарков будет правильным, и мы отбираем их, сообщая получателю, какие посылки следует выбросить.

«То, что нам необходимо использовать фильтр для того, чтобы наш эксперимент работал, на самом деле весьма обнадеживает», — говорит Арвидссон-Шукур. „Мир был бы очень странным, если бы наша симуляция путешествий во времени срабатывала каждый раз. Относительность и все теории, на которых мы строим свое понимание Вселенной, оказались бы за бортом“.

«Мы предлагаем не машину для путешествий во времени, а глубокое погружение в основы квантовой механики. Эти симуляции не позволяют вернуться назад и изменить свое прошлое, но они позволяют создать лучшее завтра, устраняя вчерашние проблемы сегодня».

15.10.2023