Strzałka czasu to pojęcie opisujące fakt, iż w naszym codziennym doświadczeniu czas płynie tylko w jedną stronę: od przeszłości do przyszłości. Widzimy rozbite szkło, które nie składa się samo z powrotem, czy stygnącą kawę, która nie nagrzewa się spontanicznie. Tymczasem na poziomie fundamentalnych praw fizyki sytuacja wygląda inaczej. Równania opisujące mikroświat są w dużej mierze symetryczne względem odwrócenia czasu, co oznacza, że teoretycznie procesy mogłyby zachodzić również wstecz.
Zespół badawczy z Los Alamos National Laboratory opracował jednak konkretne narzędzia, które pozwalają tę teoretyczną możliwość częściowo urzeczywistnić w układach kwantowych. Kluczowym elementem ich pracy są tzw. protokoły kontroli kwantowej, a więc zestawy precyzyjnych operacji i oddziaływań, które pozwalają manipulować stanem układu, np. zestawu kubitów. Dzięki nim naukowcy potrafią wpływać na sposób, w jaki system postrzega upływ czasu.
W praktyce oznacza to, że można stworzyć sytuacje, w których ewolucja układu kwantowego wygląda tak, jakby przebiegała wstecz. Nie jest to oczywiście podróż w czasie w sensie znanym z filmów science fiction, lecz kontrolowane odtwarzanie procesów, które są zgodne z równaniami fizyki dla czasu odwróconego. Badacze osiągnęli to poprzez połączenie pomiarów kwantowych i sprzężenia zwrotnego, które pozwalają korygować wpływ obserwacji na układ i generować trajektorie odpowiadające odwróconej dynamice.
Jednym z najciekawszych aspektów badań jest fakt, że to właśnie pomiar – w fizyce kwantowej aktywnie zmieniający stan układu – odpowiada za pojawienie się strzałki czasu. W przeciwieństwie do fizyki klasycznej, gdzie obserwacja nie wpływa znacząco na przebieg zjawiska, w świecie kwantowym każdy pomiar wprowadza element losowości i ustawia kierunek procesów. Nowe metody pozwalają ten efekt nie tylko neutralizować, ale nawet odwracać.
Badacze wykorzystali w tym celu specjalnie zaprojektowany tzw. hamiltonian sterujący, czyli sekwencję pól i impulsów, które naśladują działanie pomiarów. Dzięki zastosowaniu odpowiedniego sprzężenia zwrotnego możliwe jest kompensowanie lub wzmacnianie zakłóceń wynikających z pomiaru, co prowadzi do powstawania procesów zgodnych z odwróconą strzałką czasu.
Czytaj też: Odebrali sygnał, a teraz debatują nad nową fizyką. To neutrino trudno dopasować do istniejących ram
Inspiracją dla części tych prac jest słynny eksperyment myślowy dotyczący demona Maxwella, który sugerował możliwość zmniejszania entropii w układzie, co pozornie narusza drugą zasadę termodynamiki. W wersji kwantowej badacze stworzyli odpowiednik takiego “demona”, wykorzystującego informację o stanie układu do sterowania jego ewolucją i odwracania naturalnego kierunku procesów.
Odkrycie ma nie tylko znaczenie teoretyczne. Jednym z praktycznych zastosowań jest opracowanie tzw. silnika pomiarowego, który potrafi pozyskiwać energię bezpośrednio z procesu obserwacji układu kwantowego. W tym ujęciu sam pomiar staje się zasobem energetycznym, który można wykorzystać np. do zasilania innych procesów lub magazynowania energii w przyszłych bateriach kwantowych. Kolejnym krokiem ma być eksperymentalne potwierdzenie tych efektów, między innymi z wykorzystaniem nadprzewodzących kubitów, które pozwalają na bardzo szybkie i precyzyjne sterowanie oraz odczyt stanów kwantowych.
