科學家們開發出了一種控制量子系統的新方法，使它們的行為隨著時間的倒退而不是前進而更加一致。研究發表於 體檢 X引入了量子控制協議，可以重塑系統的“時間之箭”，即時間自然地只向一個方向移動的概念。該方法可能支持從量子系統提取能量和準備量子態的新方法。
量子系統（例如一組量子位元）遵循量子力學規則而不是經典物理規則。使用新開發的控制協議，研究人員可以消除時間箭頭的傳統外觀，甚至改變其明顯的方向，使量子過程看起來是向後展開的。作為該技術的演示，該團隊還創建了一個測量引擎，可以在進行量子測量時收集能量。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室的物理學家路易斯·佩德羅·加西亞-平托斯說：“與我們在周圍觀察到的現像不同，在微觀層面上，大多數基本物理定律都在物理上可能的情況下看到了時間上的來回運動。” 「換句話說，這些物理定律在時間反轉時是對稱的；如果時間反轉，它們的作用就像方程式一樣。對於量子系統，在微觀層面上運行的量子系統，我們構建的工具可以操縱感知到的時間箭頭，從而帶來令人驚訝的新方法來控制量子系統。”
工程量子時間反轉行為
在日常經典物理學中，進行測量對被觀察的物體影響很小。量子系統的行為非常不同。測量隨機改變狀態，創建時間箭頭。
為了克服這種效應，研究人員將測量與回饋結合起來，創建時間反轉的隨機軌跡。這使得量子系統能夠遵循與時間反向運行相對應的路徑。
團隊設計了哈密頓控制，這是一個精心設計的場和脈衝序列，可以重現量子測量的效果。當引入反饋系統時，哈密頓量可以抵消、放大或過度校正測量引起的擾動。因此，系統可以建立與拉長、模糊或反向時間箭頭相對應的軌跡。
麥克斯韋妖的量子版本
該作品也基於 19 世紀著名的思想實驗《麥克斯韋妖》。在這種情況下，假設的觀察者選擇性地對熱粒子和冷粒子進行分類，顯然減少了熵並挑戰了熱力學第二定律，該定律規定熵自然增加或保持恆定。 （後來的物理學表明，當考慮所有熱力學成本來源時，並不違反第二定律。）
洛斯阿拉莫斯研究小組的量子「惡魔」利用有關量子系統狀態的資訊和測量結果來產生類似的異常行為，有效地逆轉了系統的自然時間箭頭。
從量子測量中提取能量
新的控制方法還允許研究人員影響能量進出量子系統的方式。此功能可以驅動連續測量引擎，直接從監控過程中提取有用的能量。
在這個框架中，量子測量成為一種熱力學資源，可用於做功，例如驅動另一個量子過程或在量子電池中儲存能量。
展望未來，研究人員希望透過實驗證明使用超導量子位元進行量子回饋控制的基於哈密頓量的測量過程。這些系統支援快速回饋、高效檢測，並已用於實現麥克斯韋魔鬼的量子版本。未來的研究也將應用新技術來開發更好的量子態製備協議。
資助：這項工作得到了美國能源部、科學辦公室、高級科學計算研究計劃、洛斯阿拉莫斯高級計算和模擬計劃的超越摩爾定律項目以及國家科學基金會的支持。
