Ohjain muuttaa kvanttiajan nuolta

Physical Review X -lehdessä julkaistussa uudessa tutkimuksessa tiedemiehet ovat suunnitelleet kvanttisysteemien hallintaprotokollia, jotka tuottavat prosesseja, jotka ovat johdonmukaisempia taaksepäin kuin eteenpäin kuluvan ajan kanssa.

Nämä protokollat – tekniikat kvanttisysteemien hallintaan – muokkaavat kvanttisysteemin "ajan nuolta", käsitettä ajasta liikkuvana yhteen suuntaan. Työ avaa mahdollisuuksia energian erottamiseen kvanttisysteemeistä ja kvanttitilojen valmisteluun.

Kvanttijärjestelmää, kuten kubittikokoelmaa, hallitsevat kvanttimekaniikan lait. Tutkimusryhmän ohjausprotokollat voivat estää ajan nuolen syntymisen kvanttijärjestelmässä tai kääntää jopa sen suunnan – eli saada kvanttiajan näyttämään virtaavan taaksepäin.

Tutkimuksensa sovelluksena tiimi hyödynsi ohjausprotokolliaan suunnitellakseen mittausmoottorin, joka ottaa energiaa järjestelmässä suoritetuista kvanttimittauksista.

"Toisin kuin ympärillämme havaitsemamme ilmiöt, mikroskooppisella tasolla fysiikan perustavanlaatuisimmat lait pitävät ajassa eteen- ja taaksepäin suuntautuvaa liikettä fyysisesti mahdollisena", sanoi Los Alamosin kansallislaboratorion fyysikko Luis Pedro García-Pintos.

"Toisin sanoen nuo fysiikan lait ovat symmetrisiä ajan käänteessä; yhtälöt toimivat yhtä hyvin, jos käännät ajan taaksepäin. Kvanttijärjestelmissä, jotka toimivat tuolla mikroskooppisella tasolla, rakentamamme työkalut voivat manipuloida havaittua ajan nuolta, mikä johtaa yllättäviin, uusiin tapoihin hallita kvanttijärjestelmiä."

Toisin kuin klassisessa fysiikassa, jossa mittauksilla on vain vähän vaikutusta havaittuun ilmiöön, kvanttifysiikassa mittaukset muuttavat stokastisesti järjestelmän tilaa aiheuttaen aikanuolen. Tutkimusryhmä käytti mittauksia ja palautetta suunnitellakseen ajassa käänteisiä stokastisia trajektoreita, jolloin kvanttijärjestelmät käyttäytyisivät tavalla, jonka havaittiin kulkevan ajassa taaksepäin.

Tiimi suunnitteli kontrolli-Hamiltonin operaattorin – kenttien ja pulssien sarjan – joka kykeni jäljittelemään mittausten vaikutuksia. Käyttämällä tätä operaattoria takaisinkytkentäprosessissa tiimi pystyi kumoamaan, vahvistamaan tai ylikompensoimaan mittaushäiriöitä, jolloin syntyi uusia trajektoreita, jotka olivat yhdenmukaisia venytettyjen, sumennettujen tai jopa käänteisten aikanuolien kanssa.

1800-luvulla tehdyssä ajatuskokeessa "Maxwellin demoni" manipuloi kuumien ja kylmien hiukkasten suuntaa ja vähentää systeemin entropiaa, mikä näennäisesti rikkoo termodynamiikan toista pääsääntöä, jonka mukaan entropian tulisi kasvaa tai pysyä vakiona luonnollisen järjestyksen mukaisesti. (Myöhemmin fysiikka on osoittanut, että toista pääsääntöä ei rikota, kun kaikki termodynaamisten kustannusten lähteet otetaan huomioon.)

Laboratoriotiimin kvantti "demoni" hyödyntää kvanttijärjestelmän tilan ja mittaustulosten tuntemusta ajaakseen samankaltaisia poikkeavia prosesseja, kääntäen kvanttijärjestelmän luonnollisen järjestyksen – ajan nuolen.

Tiimin kehittämät työkalut voivat muokata energian virtausta järjestelmään ja siitä ulos. Tällainen ominaisuus on hyödyllinen jatkuvatoimisen mittausmoottorin tehonlähteenä, joka voi ottaa energiaa valvontaprosessista. Kvanttimittauksia hyödynnetään siis termodynaamisena resurssina, josta voidaan ottaa energiaa esimerkiksi toisen prosessin ohjaamiseen tai varastoida kvanttiakkuun.

Tutkimuksen seuraaviin vaiheisiin kuuluu Hamiltonin mittausprosessien käytön kokeellinen demonstrointi kvanttitakaisinkytkennän ohjauksessa; esimerkiksi suprajohtavissa kubiteissa, alustalla, joka mahdollistaa nopean takaisinkytkennän ja korkean havaitsemistehokkuuden ja jossa on toteutettu Maxwellin demonin kvanttiversioita. Jatkotyössä uusia tekniikoita käytetään kvanttitilojen valmistusprotokollien suunnitteluun.

Aiheesta aiemmin:

Demonit ja timantit avuksi

Informaatio termodynaamisena polttoaineena