Эффект бабочки не влияет на квантовое путешествие во времени

Фильмы о путешествиях во времени говорят про разные правила о том, что происходит, когда герои начинают эксперименты с временной шкалой. Если вы когда-нибудь задавались вопросом, какие из них имеют наибольший смысл, теперь у ученых есть ответ.

Согласно экспериментам с использованием квантового симулятора путешествий во времени, реальность более или менее «самоисцеляющаяся», поэтому изменения, внесенные в прошлое, не изменят радикально будущее, из которого путешественник пришел — по крайней мере, в квантовой сфере.

Классические правила путешествия во времени говорят, что все, что вы меняете в прошлом, может иметь огромное влияние на будущее. Вот почему Марти Макфлай может почти стереть свое собственное существование, случайно помешав своим родителям встретиться, и почему Бифф Таннен может разбогатеть, дав своему младшему «я» книгу спортивных результатов, на которую можно ставить.

В других фильмах все происходит иначе. В фильме «Мстители: Финал» супергерои путешествуют назад во времени, чтобы украсть версии Камней Бесконечности из разных периодов времени, чтобы оживить своих павших друзей. Во всяком случае, они могут изменять прошлое, не разрушая будущего, потому что Вселенная обладает способностью исправлять эти парадоксы так, чтобы обе версии событий действительно произошли.

Но какой набор правил имеет больше оснований в науке? Согласно новому исследованию, квантовая механика поддерживает модель Мстителей.

В каком-то смысле все сводится к эффекту бабочки, когда крошечное действие в одной системе может перерасти в огромные последствия. Название происходит от принципа теории хаоса, согласно которому бабочка, взмахивая крыльями, может вызвать каскад событий, вызывающих ураган в другой части мира.

Однако с точки зрения путешествий во времени этот термин, возможно, возник в связи с научно-фантастической историей Рэя Брэдбери 1952 года «И грянул гром». В этой истории туризм во времени легко доступен, но тщательно контролируется, чтобы не повлиять на настоящее. Во время одного из таких путешествий в далекое прошлое персонаж сбивается с проторенной дорожки и случайно убивает бабочку, а когда возвращается в свое время, все резко меняется.

Так как же мы можем проверить эти идеи? Поскольку мы не можем переместиться во времени назад и начать экспериментировать сами, исследователи из Лос-Аламосской Национальной лаборатории использовали квантовый компьютер для разработки моделирования путешествий во времени. И их результаты были несколько неожиданными.

“На квантовом компьютере нет проблем с моделированием эволюции, противоположной во времени, или с моделированием запуска процесса назад в прошлое”, — говорят ученые.

— Таким образом, мы действительно можем увидеть, что происходит со сложным квантовым миром, если мы путешествуем назад во времени, добавляем небольшие изменения и возвращаемся. Мы обнаружили, что наш мир выживает, а это значит, что в квантовой механике нет эффекта бабочки».

Используя квантовый процессор IBM-Q, ученые создали сложную систему, использующую квантовые элементы и демонстрирующую причину и следствие, работающую как вперед, так и назад во времени. В симуляции участвовали два гипотетических человека, Алиса и Боб, у каждого из которых был кубит – квантовый бит информации.

В сценарии Алиса готовит свой кубит в настоящем, а затем отправляет его назад во времени. В какой-то момент в прошлом Боб вмешивается в кубит, измеряя его. Затем система снова запускается в настоящее время, и Алиса проверяет свой кубит.

То, что «должно» произойти дальше, зависит от того, на какие правила путешествий во времени вы рассчитываете. Эффект бабочки говорит, что поскольку кубит связан со многими переменными, небольшое вмешательство Боба должно полностью изменить систему к тому времени, когда мы вернемся в будущее (или настоящее, к Алисе).

Но ученые обнаружили, что это не так. Кубит Алисы возвращается относительно невредимым, и она может восстановить информацию о нем. Интересно, что тот факт, что он связан со столькими переменными, похоже, на самом деле спасает его от повреждений – информация о настоящем кубите была скрыта в квантовых корреляциях в глубоком прошлом. Эта паутина связей не так легко нарушается усилиями Боба по изменению временной шкалы.

Алиса и Боб — вымышленные персонажи, обычно используемые в качестве заполнителей в дискуссиях о криптографических системах и протоколах , и в другой научной и инженерной литературе, где есть несколько участников мысленного эксперимента. Персонажи Алисы и Боба были изобретены Роном Ривестом, Ади Шамиром и Леонардом Адлеманом в их статье 1978 года «Метод получения цифровых подписей и криптосистем с открытым ключом». Впоследствии они стали распространенными архетипами во многих областях науки и техники, таких как квантовая криптография, теория игр и физика. Иногда к ним добавляют и других персонажей: Кэрол, Чак, Ева, Крейг и др.

Еще более странно, что чем дальше во времени перемещается кубит и чем сложнее вся система, тем меньше вреда кубит получает от помех. Это может показаться нелогичным – поскольку существует больше вещей, на которые крылья бабочки могут повлиять, поэтому логически эффекты должны быть более драматичными.

Но по рассуждениям исследователей, это просто создает более прочную сеть квантовых корреляций, чтобы защитить кубит от повреждений.

«Мы обнаружили, что понятие хаоса в классической физике и в квантовой механике должно пониматься по-разному», — говорят исследователи.

Если мы хотим довести эти выводы до логического завершения, можно было бы привести аргумент, что «Назад в будущее» представляет собой путешествие во времени через классическую физику, в то время как «Мстители: Финал» — это модель квантового путешествия во времени. Интересно, что последний фильм оправдывает путешествие во времени тем, что персонажи манипулируют «квантовым миром».

Хотя исследование в основном может показаться просто забавным мысленным экспериментом, ученые говорят, что моделирование может иметь некоторые реальные преимущества. Во-первых, поскольку классический процессор не может справиться с такого рода моделированием, его можно использовать как способ проверить, действительно ли квантовый компьютер работает на квантовых принципах.

Исследователи также говорят, что эта концепция может быть использована для создания новых протоколов безопасности информации в квантовых системах. Если более зловещий Боб реального мира попытается вмешаться в кубиты, система может преобразовать информацию в сильно запутанное состояние, чтобы защитить ее.

«Мы обнаружили, что даже если злоумышленник выполняет измерения повреждения состояния сильно запутанного состояния, мы все равно можем легко восстановить полезную информацию, потому что этот ущерб не увеличивается в процессе декодирования», — говорят ученые. «Это оправдывает разговоры о создании квантового оборудования, которое будет использоваться для сохранения информации».

Предыдущая версия этой статьи была опубликована в июле 2020 года.