Стрела времени указывает вперед в квантовых системах

 Измерения, показывающие, что квантовая система следует траектории движения со стрелой времени, направленной вперед, были проведены Катером Мерчем (Kater Murch) и его коллегами из Вашингтонского университета в Сент-Луисе, США. Команда сделала это, сравнив вероятность управляемого квантового процесса по траекториям прямого и обратного времени.

В макроскопическом повседневном мире системы управляются процессами, которые разворачиваются над направленной вперед стрелой времени. Например, кубик льда в теплой среде всегда должен таять в луже с течением времени. Запуск процесса самопроизвольно в обратном направлении во времени для замерзания лужи с образованием кубика льда кажется абсурдным. Это связано с тем, что таяние приводит к увеличению энтропии, которое определяется с помощью стрелы времени, указывающей вперед. Это содержание второго закона термодинамики.

Однако на микроскопических квантовых шкалах эта неизбежность стрелы времени становится менее определенной. Хотя видео о кубике тающего льда выглядело бы странно, если бы оно воспроизводилось задом наперед, неясно, будут ли все квантовые процессы выглядеть настолько странно, если их воспроизвести в обратном порядке.

Ранее физики особенно сомневались в том, что измерения квантовых систем всегда должны следовать траекториям стрелок, направленных вперед. Команда Мерча разработала эксперимент, чтобы решить эту проблему. Он включает в себя связь сверхпроводящего кубита с основной модой резонатора СВЧ-волновода. С помощью этой установки исследователи могут определить квантовое состояние кубита, измеряя фазу выходного сигнала резонатора. Из-за квантовой природы системы измерение приводит к обратной реакции, которая влияет на конечное состояние кубита.

Траектории во времени кубита определяются путем проведения временных рядов измерений квантового состояния кубита. Если бы этот процесс измерения был воспроизведен задом наперед, сам результат измерения сигнала в конечном итоге приведет к тому, что кубит вернется в исходное состояние до измерения. В отличие от макроскопических масштабов, этот результат возможен в квантовой сфере, но до сих пор вероятность этого по сравнению с его направленным вперед аналогом оставалась неясной.

После выполнения многих измерений кубита, Мерч и его коллеги записали частоты результатов, полученных как в прямом, так и в обратном направлении во времени, в течение нескольких различных отрезков времени наблюдения. В большинстве случаев они обнаружили, что прямые траектории были более вероятными, чем обратные траектории. Однако обратные траектории не были невозможны.

С помощью статистического анализа команда может определить четкие взаимосвязи между относительными вероятностями прямой и обратной траекторий и продолжительностью траектории (длина стрелы). По мере увеличения длины стрелы результаты, следующие после прямых траекторий, все чаще стали доминировать над теми, которые следуют назад по времени.

Эти результаты свидетельствуют о том, что даже в квантовых масштабах процесс измерения имеет тенденцию придерживаться траекторий вперед во времени. Поэтому команда Мерча впервые показывает, что устойчивое направление стрелы времени остается таким же фундаментальным правилом для квантовых измерений, как и увеличение энтропии в макроскопических масштабах.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365