Wissenschaftler scheinen in einem Zwei-Bit- und einem Drei-Bit-Quantencomputer eine „umgekehrte Zeit“ zu haben, nachdem sie die Wahrscheinlichkeit berechnet haben, dass das Phänomen in einem lokalisierten Elektron auf natürliche Weise auftritt.
Umkehren der Entropie eines Zwei-Qubit-Systems
Wissenschaftler in Russland, der Schweiz und den USA haben sich zusammengeschlossen, um anscheinend die Entropie eines Zwei-Qubit-Quantencomputers mit einer Genauigkeit von 85% und einer Genauigkeit von etwa 50% in einem Drei-Qubit-System umzukehren, obwohl sie feststellen, dass die verbleibende Ungenauigkeit bestehtaufgrund der Unvollkommenheiten im Quantencomputer selbst, nicht ihres Algorithmus.
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Entropie, definiert als Maß für die Störung in einem System nimmt natürlich mit der Zeit zu, wenn sich die Natur von Ordnung zu Störung bewegt. Im Fall des von den Forschern gebauten Quantencomputers beginnt das System in einem Zustand, in dem die Qubits anfänglich Nullen sind, aberim Laufe der Zeit in eine Zufälligkeit von 1s und 0s abbauen.
Dies steht im Einklang mit Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik SLT, das besagt, dass in einem isolierten System die Entropie niemals abnimmt. Die Forscher haben diese Entropie anscheinend zurückgespult, um bei Bedarf in den ursprünglichen Zustand des Quantencomputers zurückzukehren, was neue Möglichkeiten für die Fehlerkorrektur in Quantencomputern bietetkönnte ihren Einsatz erheblich vorantreiben.
Spontaner Zeitrücklauf in lokalisierten Elektronen
Die Forscher des Moskauer Instituts für Physik und Technologie MIPT, der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich ETH Zürich und des Argonne National Laboratory, USA ANL - die ihre Ergebnisse heute in der Zeitschrift veröffentlicht haben Wissenschaftliche Berichte -, begann mit der Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass ein lokalisiertes Elektron von einem Moment zum nächsten in seinen früheren Zustand zurückkehrt.
"Angenommen, das Elektron ist lokalisiert, wenn wir es beobachten. Dies bedeutet, dass wir uns über seine Position im Raum ziemlich sicher sind. Die Gesetze der Quantenmechanik hindern uns daran, es mit absoluter Präzision zu kennen, aber wir können einen kleinen Bereich umreißen, in demDas Elektron ist lokalisiert ", sagt Studienmitautor Andrey Lebedev vom MIPT und der ETH Zürich.
Die Entwicklung des Zustands des Elektrons von einem Moment zum nächsten wird durch die Schrödinger-Gleichung bestimmt. Diese Gleichung unterscheidet nicht zwischen den Zeitpunkten, aber gemäß der SLT wächst der Bereich, in dem das Elektron auftreten kann, schnell.
"Schrödingers Gleichung ist jedoch reversibel", fügt Valerii Vinokur von ANL und hinzu. Mitautor des Papiers. "Mathematisch bedeutet dies, dass die Gleichung unter einer bestimmten Transformation, die als komplexe Konjugation bezeichnet wird, ein 'verschmiertes' Elektron beschreibt, das sich im selben Zeitraum in einem kleinen Raumbereich zurücklagert."
Obwohl eine solche Umkehrung nicht auf natürliche Weise beobachtet wurde, glaubten die Wissenschaftler, dass dies theoretisch möglich war.
Die Forscher vergleichen dies mit einer Billardkugel, die auf eine andere trifft. Wenn Sie das Ereignis normal aufzeichnen, würde eine Gleichung das Verhalten der verschiedenen Positionen und Geschwindigkeiten der Billardkugeln bestimmen - mit anderen Worten, ihren Zustand zu einem bestimmten Zeitpunkt.
Wenn Sie jedoch die Aufzeichnung umkehren, würde dieselbe Gleichung auch diesen Zustandsübergang regeln. Im Wesentlichen ist 2X gleich Y, aber Y ist auch gleich 2X, je nachdem, wie Sie die Gleichung lesen möchten. Beide sind gültig und dortist nicht zu sagen, welche Form die "ursprüngliche" Gleichung war.
Im Fall eines Elektrons war es theoretisch möglich, die Schrödinger-Gleichung rückwärts auszuführen, so dass Sie, wenn die Gleichung für den Zustandsübergang des Elektrons Y = 2X war, von 2X aus mit demselben Wert zu Y gelangen können. Gleichung 2X = Y.
Um festzustellen, wie oft dieses Phänomen auf natürliche Weise auftritt, berechnete das Team die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron über einen Bruchteil einer Sekunde „verschmiert“ und sich spontan in einem früheren Zustand befindet.
Sie berechneten, dass Sie dieses Phänomen nur einmal beobachten würden, wenn Sie 10 Milliarden neu lokalisierte Elektronen über das gesamte Leben des Universums - 13,7 Milliarden Jahre - pro Sekunde betrachten würden, und selbst dann wäre es ein einzelnes Elektron, das eine Zehn bewegt-billionstel Sekunde in der Zeit zurück.
Rücklaufzeit bei Bedarf
Wenn die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein einzelnes Elektron in einen früheren Zustand entwickelt, so gut wie unmöglich ist, wie haben diese Wissenschaftler dann den Effekt in den Quantenzuständen von Qubits mit einer Erfolgsrate von 85% in einem Zwei-Qubit-System und knapp 50 nachgebildet?% für ein Drei-Qubit-System?
Bei Verwendung der Billardkugel-Analogie anstelle von zwei Billardkugeln ähnelt dies eher der Verwendung eines Racks mit Billardkugeln, dem Brechen mit einer Spielkugel und dem Zusammenbau zu einer Pyramide.
Im Wesentlichen entwickelten die Forscher einen Algorithmus, den sie so beschreiben, dass er dem Billardtisch einen „Kick“ verleiht, der die Zustandsänderungen in den Qubits umkehrt und sie rückwärts in ihre vorherigen Zustände zurücksetzt. Dies wäre, als würde man den Billardtisch genau treffenPlatziere mit genau der Kraft, um alle Kugeln direkt in den Rückwärtsgang zu schicken und sie schließlich in eine Pyramide umzuwandeln.
"Unser Algorithmus könnte aktualisiert und verwendet werden, um Programme zu testen, die für Quantencomputer geschrieben wurden, und um Rauschen und Fehler zu beseitigen", erklärte Lebedev.