時間を逆行、量子コンピューターでシミュレーション

Tempus fugit 、時間はあっという間に過ぎ、過去から未来へ移動するのは当然のことのように思えるかもしれませんね?これは常にそれほど明確ではなく、今日でも、この方向にそれを必然的に推し進める物理法則自体はなく、むしろ非常に可能性が高いものとして扱われています。

MIPT（モスクワ物理工科大学）の研究者ゴーディ・レソヴィク氏は本日、米国とスイスの同僚らと共同で論文を発表し、その中で彼らは星間真空における電子の量子状態を過去に押し戻した、と主張している。これらすべてはシミュレーションの一部であり、同じく IBM の量子コンピューターの 1 つを使用して実行されます。

時間の矢、古典と量子

先ほど述べたように、古典物理学自体には熱力学の第 2 原理があります。これは、巨視的なプロセスの不可逆性、またはその進化が進むべき方向を示す「時間の矢」と同じものを示しています。しかし、これは個人レベルで起こる必要はなく、その正当化は統計物理学自体の中に見出され、統計物理学自体が統計、古典力学および量子力学、そして熱力学自体の間の必要なつながりを確立します。

上の画像を見て、2 つの半分に分かれた箱の具体例を見てみましょう。各半分にそれぞれ熱い空気と冷たい空気を入れます。必要な適応時間が経過した後、それらを隔てるハッチを取り外すと、箱全体に温かい空気が流れ込むことになることは容易に想像できます。しかし、その逆のプロセスは決して起こりません。暖かい空気を箱の中に入れると、暖かい空気と冷たい空気の 2 つに分かれる可能性は低くなります。

真実は、空気の力学においては、さまざまな化合物の分子と同様に、それを妨げるものは何もないということです。これは、小さなボールが一方の側からもう一方の側に移動し、互いに衝突したり、箱の壁に衝突したりするものとして想像できます。実際、空気分子の数を一握りに減らすと、これまで不可能だと考えられていたことがより実現可能になります。ホット分子とコールド分子が 1 つだけの場合でも、考えられる状態は 4 つあり、そのうちの 1 つが特定の初期状態に対応します。そして、これは 25% の確率で偶然に再現される可能性があるため、全体が一時的に後退していると言えるでしょう。

つまり、物理法則は時間の逆行を妨げるものではありません。古典物理学では、「t」を「-t」に置き換えるだけで、砂時計を回転させて逆流させることができます。ほとんどの公式は過去と未来を区別しませんが、区別できるのはこの熱力学の第 2 原理です。

量子物理学でもこの概念は有効ですが、さらに深い概念です。粒子を表すものは、もはや粒子の特定の位置と速度ではなく、物理学者が波動関数と呼ぶものです。これが、世界に、特に顕微鏡レベルで最も顕著な量子的性質の予期せぬ動作をもたらすものです。

量子の性質には、次の 3 つの重要な困難が追加されます。

• 巨視的な測定自体が不可逆性を生み出します。たとえば、粒子には特定の位置はありませんが、その波動関数は領域内に位置し、その領域内の各点に存在する確率があると言われます。測定時にはこの機能が「崩壊」して測定できなくなります。

• 時間的逆行作用は「自然界では観察されない」が、理論的にはビッグバンそのものから来る宇宙マイクロ波背景背景からのエネルギー変動によって促進されて起こる可能性がある。

• 粒子間の量子もつれにより、システム自体の波動関数が複雑になり、状態への依存関係がさらに追加され、計算がより複雑になります。

(1 個と 2 個の) 電子の一時的な後退

Lesovik が主導するこの研究では、量子コンピューターで時間回帰アルゴリズムを構築するための一般原則を確立し、それらを量子ビットの少ないシステムに実装します。非常に簡単に言うと、その目的は、波動関数を以前の状態に戻す、つまり後進する発展方程式を適用することです。

この論文の中で、著者らは、いくつかのケースでこれがどのように比較的簡単に実行できるかを説明しています。それらの最初のものは、絶対零度よりわずか 2.7 ℃高い、または零下 270 ℃の銀河間空間に位置する単一の電子のものです。これには、電子と相互作用して電子の状態を過去に戻す電磁場が関連付けられています。

いくつかの非常に基本的な計算によれば、そして以前に話した不可逆性と一致して、私たちはこの電子が自発的に、つまり何の刺激もなく、 10億分の1のオーダーで過去に進化すると予想できるという事実に到達しました。 2番。さらに、これは宇宙の寿命、つまり 137 億年に相当する期間に1 回しか起こりません。

「量子の世界」を支配する方程式はシュレディンガー方程式です。この研究の共著者である Valerii Vinokur 氏が回想し、 Phys.orgが報告したように、これは「可逆的」です。

「数学的には、これは複素共役と呼ばれる特定の変換の下で、この方程式は空間の狭い領域に同じ時間内に位置するスミア電子を記述することを意味します。」

技術的には、回帰するものは波動関数自体であり、時間的進化が開始する状態で終了する状態に対して回帰することになります。私たちは単一の電子の場合について話していますが、それが非常にありそうもないことがわかります。そうですね、2 つの電子の場合、両方の波動関数が重なるため、状況はさらに複雑になります。

そして、量子もつれにより、過去に向けた進化を予測するには、元のシステムよりも一般的な「スーパーシステム」から始めることが不可欠になります。この出版物は、これは「自然界では自然発生することはありえない」、「たとえ特定の状況で発生したとしても」、「通常、宇宙の年齢を超える時間を必要とする」と述べている。さらに複雑なシステムが逆方向に進化する可能性はさらに低いでしょう。ここで、熱力学の第 2 原理が大きなドラマもなく「法則」と呼ばれていることが理解されます。逆進化は可能です、はい、しかし、それは起こりません。言葉。

量子アルゴリズム

ここで、量子コンピューターと Lesovik 率いるチームが提案したidemアルゴリズムが IBM マシンの 1 台で役に立ち、そのうちの 1 台で実験が行われました。使用される量子ビットの数 (わずか 2 と 3) に応じて、使用される論理ゲートの数はそれぞれ 48 と 144 になります。現在の量子コンピューターでは、複数の理由によりエラー率(ゲートごとに最大 2.5%)が無視できないため、これは重要です。

このアルゴリズムは複数のステップで適用され、量子ビットの各配置 (本質的には自由に構成できる量子状態) が電子の量子状態に関連付けられます。

1. 量子ビットは励起されておらず、基底状態に配置されています。これらは電子の状態に関連しており、その波動関数は非常に小さな領域に限定されます。物理学者が言いそうな、非常に局所的なものです。

電子（の波動関数）が空間を拡散するのと同じように、量子ビットに割り当てられた順序は失われます。これらの値の組み合わせによって進化することができます。

一時的な後退。ソフトウェアを使用すると、量子コンピューターの状態が変更され、後方進化と同じ効果が得られます。これは重要なステップであり、この実験では時間が逆行しているのではなく、まだ非常に単純なシステムの進化のシミュレーションであることが認識されています。

再生。前述したように、量子コンピューターには欠陥があるため、ここでは、以前とは逆方向の時間発展を適用します。このようにして、ステップ 1 の初期状態が回復されることが期待されます。回復されない場合は、何か問題が発生しているため、この実行は無効です。

チームが収集した結果では、2量子ビットのアルゴリズムでは 85% の精度が示されていますが、3量子ビットの場合は 49% に低下します。このエラーの原因は依然として量子ビットが維持できる小さなコヒーレンス時間ですが、量子コンピューターの背後にある技術が進歩するにつれて改善されるでしょう。論理ゲートのエラー、そして最後に、解そのものの読み取りです。

これは、同じく量子であるアルゴリズムを使用して量子システムの時間的退行を調査した最初の結果であり、この研究は、将来の研究のためにこれらのシステムのためのゲートウェイと最初のアルゴリズムを確立します（はい、やや非効率ですが）。著者の一人であるレベデフ氏によると、「アルゴリズムを更新して、量子コンピュータ用に書かれたプログラムをテストし、ノイズやエラーを除去するために使用できる」という。