Квантовые датчики, способные путешествовать во времени
Идея путешествий во времени уже много лет привлекает энтузиастов научной фантастики. Наука говорит нам, что путешествие в будущее технически осуществимо, по крайней мере, если вы готовы двигаться со скоростью, близкой к скорости света, но вернуться назад во времени невозможно. Но что, если ученые смогут использовать преимущества квантовой физики для сбора данных о сложных системах, которые существовали в прошлом?
Новое исследование показывает, что это предположение, возможно, не так уж и притянуто за уши. В статье, опубликованной 27 июня 2024 года в журнале Physical Review Letters, Кейт Марч, профессор физики имени Чарльза М. Хоэнберга и директор Центра квантовых скачков Вашингтонского университета в Сент-Луисе, и ее коллеги Николь Юнгер Халперн из NIST и Дэвид Арвидссон-Шукур из Кембриджского университета демонстрируют новый тип о квантовом датчике, который использует квантовую запутанность для создания детекторов, путешествующих во времени.
Марч описывает эту концепцию как аналогию возможности направить телескоп назад во времени, чтобы запечатлеть падающую звезду, которую вы видели краем глаза. В повседневном мире эта идея не вызывает энтузиазма. Но в таинственной и загадочной стране квантовой физики, возможно, есть способ обойти правила. Это происходит благодаря свойству запутанных квантовых датчиков, которое Марч называет "ретроспективой".
Процесс начинается с запутывания двух квантовых частиц в квантовом синглетном состоянии — другими словами, двух кубитов с противоположным спином, — так что независимо от того, какое направление вы рассматриваете, спины направлены в противоположные стороны. Оттуда на один из кубитов — "зонд", как называет его Марч, — воздействует магнитное поле, которое заставляет его вращаться.
На следующем этапе происходит пресловутое волшебство. Когда измеряется вспомогательный кубит (тот, который не использовался в качестве зонда в эксперименте), свойства запутанности эффективно отправляют его квантовое состояние (т.е. спин) "назад во времени" к другому кубиту в паре. Это возвращает нас ко второму этапу процесса, когда магнитное поле поворачивало "зондирующий кубит", и именно здесь возникает реальное преимущество ретроспективного анализа.
При обычных обстоятельствах для такого рода экспериментов, когда вращение спина используется для измерения величины магнитного поля, вероятность того, что измерение не удастся, составляет один шанс из трех. Это происходит потому, что когда магнитное поле взаимодействует с кубитом вдоль осей x, y или z, если оно параллельно или антипараллельно направлению вращения, результаты будут сведены на нет - вращение не будет измеряться.
При нормальных условиях, когда магнитное поле неизвестно, ученым пришлось бы гадать, в каком направлении подготовить вращение, что привело бы к одной трети вероятности сбоя. Прелесть ретроспективного анализа в том, что он позволяет экспериментаторам задавать наилучшее направление вращения — оглядываясь назад — с помощью путешествий во времени.
Эйнштейн однажды назвал квантовую запутанность "пугающим действием на расстоянии". Возможно, самая жуткая часть запутанности заключается в том, что мы можем рассматривать пары запутанных частиц как одну и ту же частицу, движущуюся как вперед, так и назад во времени.
Это дает ученым—квантовикам новые творческие возможности для создания более совершенных датчиков - в частности, таких, которые можно эффективно отправлять назад во времени. Существует целый ряд потенциальных применений для такого рода датчиков, начиная от обнаружения астрономических явлений и заканчивая вышеупомянутым преимуществом, полученным при изучении магнитных полей, и, несомненно, по мере дальнейшего развития концепции, в поле зрения будет попадать еще больше.
