Ученые моделируют путешествия во времени для решения «невозможных» физических задач

В новом исследовании физики предполагают, что посредством квантовой запутанности моделирование путешествий во времени может решить проблемы, обычно неразрешимые с помощью традиционной физики. В частности, запутанные частицы могут перемещаться по замкнутому пространственно-временному циклу, так что их первоначальные характеристики могут быть изменены посредством процесса обратной связи. Таким образом, можно было бы модифицировать нынешние результаты прошлого опыта.

Однонаправленная траектория времени означает, что азартные игроки, инвесторы и квантовые физики могут получить лишь результаты, которые не всегда являются оптимальными. Например, в области квантовой метрологии экспериментируют с явлениями, чтобы оценить параметры, которые изначально неизвестны. Иными словами, оптимальные критерии проведения эксперимента не известны до его окончания.

Способ обойти эту проблему — изменить поток времени таким образом, чтобы создать замкнутые временные петли (ЗВП). С точки зрения наблюдателей, придерживающихся нормального летоисчисления, частицы, движущиеся внутри ЗВП, перемещаются во времени. Однако предположение о существовании таких петель приводит к парадоксам, в том числе к парадоксу дедушки. Например, если некий человек X путешествовал во времени и убил своего деда до того, как у того появились дети, то этот человек никогда не мог бы родиться. Однако из замкнутого контура должно следовать, что он может остаться в живых, несмотря на свое путешествие во времени, — отсутствие согласованности, которое не может не вызвать скептицизма у многих ученых.

Для решения проблемы когерентности исследователи из Кембриджского университета опираются на теорию «постселективных ЗВП» (ПЗВП). Это квантовые схемы, использующие постселекцию или обработку определенных результатов измерений. Чтобы сделать измерения достаточно чувствительными, чтобы уловить эти условия и манипулировать запутанностью частиц, теория была объединена с квантовой метрологией.

Результаты исследования, описанные в журнале Physical Review Letters, свидетельствуют о том, что действительно возможно смоделировать путешествие частиц во времени. Это было бы доказательством концепции ПЗВП, предполагающей, что в некоторых случаях можно ретроактивно изменять действия в прошлом, чтобы улучшить их результаты в настоящем.

Важно понимать, что это не «предложение о создании машины времени, а скорее глубокое погружение в основы квантовой механики«, — поясняет ведущий исследователь Дэвид РМ Арвидссон-Шукур, сотрудник Лаборатории квантовых исследований Hitachi при Кембриджском университете. «Эти симуляции не позволяют вернуться назад и изменить свое прошлое, но они позволяют создать лучшее будущее, решая вчерашние проблемы сегодня«, — поясняет он.

Изменение конечных результатов с помощью обратной связи

Чтобы понять суть эксперимента, проведенного кембриджскими исследователями, нужно представить себе простую аналогию: вам нужно отправить кому-то подарок, и вы планируете отправить его в первый день, чтобы на третий день он был доставлен по назначению. Однако вы получаете список желаний человека только на второй день. При таком раскладе, если следовать классическому правилу хронологии, невозможно заранее узнать эти пожелания и сделать так, чтобы отправить нужный подарок. Но представьте себе, если бы вы могли изменить подарок, отправленный в первый день, с учетом информации, полученной на следующий день.

Специалисты продемонстрировали, что можно перенести этот сценарий обратной связи на частицы, манипулируя квантовой запутанностью. Квантовая запутанность означает наличие невидимой связи между двумя частицами, испущенными одновременно, независимо от расстояния, разделяющего их. Это означает, что при изменении состояния одной частицы мгновенно изменяется состояние ее двойника.

В новом исследовании две частицы были запутаны, и одна из них была отправлена для использования в эксперименте. После получения новой информации второй частицей манипулируют таким образом, чтобы изменить прошлое состояние первой. Таким образом, изменяется и конечный результат эксперимента.

Применяя квантовую метрологию к модели, фотоны проецируются на определенный образец, а их перемещение фиксируется камерой. Характеристики фотонов манипулировались до того, как они достигали цели. Исследователи обнаружили, что, хотя они могут определить оптимальные условия, необходимые для того, чтобы фотоны достигли образца, они могут использовать моделирование ПЗВП для ретроактивного изменения их первоначальных характеристик.

Однако «эффект поразительный, но он происходит только один раз из четырех«, — говорит Арвидссон-Шукур. Кроме всего прочего, 75% вероятности того, что симуляция не сработает и даст неверный результат. Если вернуться к аналогии с подарком, то в одном случае из четырех подарок окажется нежелательным (например, брюки вместо пиджака). В другой раз это могут быть брюки, но не того размера, цвета и т.д.

Чтобы преодолеть высокий риск неудачи, исследователи предлагают посылать в ПЗВП большое количество фотонов, зная, что часть из них окажется с правильной, обновленной информацией. Затем можно использовать фильтр для отбора хороших фотонов и отбраковки недействительных. Если применить эту гипотезу к аналогии с подарком, то это означает, что в первый день можно отправить много посылок, а инструкции по выбору подарка получить только на следующий день. Благодаря фильтру, учитывая, что, например, хотя бы 1 из 4 подарков будет правильным, можно будет отсортировать те, которые следует исключить из первых посылок.

«Тот факт, что для проведения нашего эксперимента необходимо использовать фильтр, на самом деле весьма обнадеживает«, — говорит Арвидссон-Шукур. «Мир был бы очень странным местом, если бы наша симуляция путешествий во времени срабатывала каждый раз. Относительность и все теории, на которых мы строим наше понимание Вселенной, были бы отброшены«, — заключает он.