Natuurkundigen hebben lang geprobeerd de onomkeerbaarheid van de omringende wereld te begrijpen en hebben het ontstaan ​​ervan toegeschreven aan de tijdsymmetrische, fundamentele wetten van de fysica. Volgens de kwantummechanica, de uiteindelijke onomkeerbaarheid van conceptuele tijdomkering vereist uiterst ingewikkelde en onwaarschijnlijke scenario's die waarschijnlijk niet spontaan in de natuur zullen voorkomen. Natuurkundigen hadden eerder aangetoond dat, hoewel tijdomkeerbaarheid exponentieel onwaarschijnlijk is in een natuurlijke omgeving, het mogelijk is om een ​​algoritme te ontwerpen om een ​​tijdpijl kunstmatig om te keren naar een bekende of bepaalde toestand binnen een IBM-kwantumcomputer. Echter, deze versie van de omgekeerde pijl-van-tijd omvatte alleen een bekende kwantumtoestand en wordt daarom vergeleken met de kwantumversie van terugspoelen op een video om 'de stroom van tijd om te keren'.

In een nieuw rapport dat nu gepubliceerd is in Communicatiefysica , Natuurkundigen A.V. Lebedev en V.M. Vinokur en collega's in materialen, natuurkunde en geavanceerde techniek in de VS en Rusland, bouwden voort op hun eerdere werk om een ​​technische methode te ontwikkelen om de temporele evolutie van een willekeurige onbekende kwantumtoestand om te keren. Het technische werk zal nieuwe routes openen voor algemene universele algoritmen om de temporele evolutie van een willekeurig systeem terug in de tijd te sturen. Dit werk schetste alleen het wiskundige proces van tijdomkering zonder experimentele implementaties.

De pijl van de tijd en het ontwikkelen van een tijdomkeringsprotocol

De pijl van de tijd komt voort uit het uitdrukken van de richting van de tijd in een enkelvoudige route ten opzichte van de tweede wet van de thermodynamica, wat impliceert dat entropiegroei voortkomt uit energiedissipatie van het systeem naar de omgeving. Wetenschappers kunnen daarom energiedissipatie beschouwen in relatie tot de verstrengeling van het systeem met de omgeving. Eerder onderzoek was uitsluitend gericht op het kwantumperspectief van de pijl van de tijd en op het begrijpen van de effecten van de Landau-Neumann-Wigner-hypothese om de complexiteit van het omkeren van de pijl van de tijd op een IBM-kwantumcomputer te kwantificeren. In het huidige werk, de wetenschappers stellen voor om een ​​thermodynamisch reservoir bij eindige temperaturen te gebruiken om een ​​stochastisch bad met hoge entropie te vormen om een ​​bepaald kwantumsysteem te thermaliseren en de thermische wanorde of entropie in het systeem experimenteel te vergroten. Echter, experimenteel, de IBM-computers ondersteunen geen thermalisatie, die de eerste stap vormt in de huidige voorgestelde cyclus.

In theorie, de aanwezigheid van het thermische reservoir maakte het onverwacht mogelijk om op hoge temperatuur thermische toestanden van een hulp (alternatief) kwantumsysteem elders voor te bereiden, bestuurd door dezelfde Hamiltoniaan (een operator die overeenkomt met de som van kinetische energie en potentiële energieën voor alle deeltjes in het systeem). Dit stelde Lebedev en Vinokur in staat om wiskundig een operator van achterwaartse evolutie te bedenken om de chronologische dynamiek in een bepaald kwantumsysteem om te keren.

Universele procedure en het hulpsysteem

Het team definieerde het universele tijdomkeringsproces van een onbekende kwantumtoestand met behulp van de dichtheidsmatrix van een kwantumsysteem (een gemengde toestand); om de omkering van de evolutie van het temporele systeem te beschrijven om terug te keren naar zijn oorspronkelijke staat. De kwantumtoestand van het nieuwe systeem kan onbekend blijven terwijl de pijl van tijdomkering wordt geïmplementeerd. In tegenstelling tot het vorige protocol van tijdomkering van een bekende kwantumtoestand, de initiële toestand hoefde ook niet van een puur ongecorreleerde toestand te zijn en kon in een gemengde toestand blijven en correleren met eerdere interacties met de omgeving. Het team merkte een verminderde complexiteit van tijdomkering op voor een gemengde toestand met hoge entropie in het systeem.

Lebedev et al. maakte gebruik van de terugdraaiprocedure die eerder werd beschreven door S. Lloyd, Mohseni en Rebentrost (LMR-procedure) om de initiële dichtheidsmatrix te construeren of in kaart te brengen. De LMR-procedure beschouwde de gecombineerde opstelling van het systeem in kwestie en een bijkomstigheid om omkeerbare berekening te bereiken. Het experimentele systeem zal worden uitgerust met een thermodynamisch bad om de ancilla te thermaliseren en de gewenste toestand voor omgekeerde evolutie te verschaffen. Hoe warmer het systeem, hoe chaotischer het zou worden. Door een warmtereservoir te gebruiken om het hulpsysteem aan een extreem hoge temperatuur bloot te stellen, Lebedev et al. paradoxaal genoeg proberen om het koude en geordende verleden van het primaire systeem experimenteel te observeren met behulp van de LMR-formule. De auteurs redeneren dat een universeel tijdomkeringsalgoritme een berekening in omgekeerde richting kan uitvoeren, zonder een specifieke kwantumtoestand om naar terug te spoelen, zolang het algoritme tijdomkering naar zijn punt van oorsprong mogelijk maakt.

Computationele complexiteit van de tijdomkeringsprocedure

Het werk schetste alleen de wiskundige analyse van tijdomkering zonder experimentele implementaties te specificeren. Tijdens het oefenen van tijdomkering, het voorgestelde systeem bleef de voorwaartse evolutie behouden die door zijn eigen Hamiltoniaan werd beheerst. De computationele complexiteit van tijdomkering voor een onbekende kwantumtoestand was evenredig met het kwadraat van de Hilbert-ruimtedimensie van het systeem (een abstracte vectorruimte). Om dit in de praktijk te realiseren, het experimentele systeem vereist een natuurlijk systeem dat evolueert onder een onbekende Hamiltoniaan naast thermalisatie, die kwantumcomputers niet ondersteunen, gecombineerd met universele kwantumpoorten om tijdomkering te bereiken. Als resultaat, praktische implementatie van dit werk vereist een upgrade van bestaande kwantumcomputers om aan de geschetste vereisten te voldoen.

Een route om het bestaande ontwerp van kwantumchips te upgraden

Lebedev et al. streven er daarom naar om het bestaande ontwerp van kwantumchips te upgraden om een ​​set van op elkaar inwerkende qubits (quantumbits) te verkrijgen die on-demand in een omgeving met hoge temperaturen kunnen thermaliseren. Om dit te bereiken, supergeleidende qubits kunnen worden gekoppeld aan een transmissielijn waar thermische straling van hoge temperatuur wordt toegevoerd om de qubits in een toestand van hoge temperatuur te brengen. Daarna, ze hebben een tweede set qubits nodig die een kwantumtoestand kunnen opslaan die vergelijkbaar is met de originele set qubits. Wanneer de originele set qubits vervolgens experimenteel wordt gethermaliseerd om de gezamenlijke LMR-evolutie te implementeren, volgende qubits kunnen een tijdomgekeerde dynamiek ondergaan onder dezelfde Hamiltoniaan om de oorspronkelijke staat te bereiken. Indien nauwkeurig uitgevoerd, het voorgestelde mechanisme zal ook de foutcorrectie van een verbeterde kwantumcomputer vergemakkelijken om de juiste functie ervan te bevestigen. Lebedev et al. stel je voor dat de procedure wordt geïmplementeerd op opkomende computers met on-demand gethermiseerde qubits.

Op deze manier, Lebedev en Vinokur demonstreerden de tijdomkeringsprocedure van een onbekende gemengde kwantumtoestand. Het proces is afhankelijk van het uitvoeren van het LMR-protocol en het bestaan ​​van een ancilla-systeem, waarvan de dynamiek kan worden bepaald door dezelfde Hamiltoniaan als de Hamiltoniaan van het omgekeerde systeem. Om de omkeringsprocedure te volbrengen, moet het LMR-protocol opeenvolgend worden toegepast op de gezamenlijke toestand van het systeem en de ancilla, bereid in thermische toestand. Het werk ontwikkelde een formule om het aantal cycli te benadrukken dat moet worden herhaald om de toestand van een bepaald systeem om te keren naar eerdere toestanden in het verleden. Dit aantal is afhankelijk van de complexiteit van het systeem en hoe ver terug in de tijd het zou moeten gaan. Bij het implementeren van het tijdomkeringsprotocol, het werkingspercentage van de LMR-procedure moet voldoende hoog zijn, om de voorwaartse tijdsevolutie van het omgekeerde systeem te overschrijden.

© 2020 Wetenschap X Netwerk