Квантовый компьютер не зависит от стрелы времени

Если вы посмотрите фильм от конца до начала, то вы, вероятно, запутаетесь, но квантовый компьютер этого не сделает. К такому выводу пришли исследователь Миле Гу из центра квантовых технологий (Cqt) Национального университета Сингапура и Наньянского технологического университета, а также другие ученые.

В исследовании, опубликованном в журнале Physical Review X, международная команда ученых показывает, что квантовый компьютер в меньшей степени зависит от «стрелы времени», чем классический компьютер. В некоторых случаях, кажется, что квантовому компьютеру как будто вообще не нужно различать причины и следствия.

Новая работа вдохновлена ​открытием, сделанным почти 10 лет назад учеными Джеймсом Крачфилдом и Джоном Махони в Университете Калифорнии. Они показали, что многие статистические последовательности данных будут иметь встроенную стрелу времени.

Наблюдатель, который видит данные, воспроизводимые от начала до конца, как и кадры фильма, может моделировать то, что будет дальше, используя лишь скромный объем информации о том, что произошло раньше. Наблюдатель, который пытается смоделировать систему в обратном направлении, получает гораздо более сложную задачу — потенциально необходимо отслеживать на порядок больше информации.

Это открытие стало известно как причинная асимметрия. Она кажется интуитивно понятным — ведь моделирование системы, когда время идет назад, похоже на попытку вывести причину из следствия. Мы привыкли находить это более сложным, чем прогнозирование эффекта от причины. В повседневной жизни понимание того, что будет дальше, легче, если вы знаете, что только что произошло, и что произошло до этого.

Однако исследователи всегда были заинтригованы тем, чтобы обнаружить асимметрии, связанные с упорядочением времени. Это связано с тем, что фундаментальные законы физики неоднозначны относительно того, движется ли время вперед или наоборот, назад. «Когда физика не навязывает никакого направления во времени, откуда возникает каузальная асимметрия — дополнительные расходы памяти, необходимые для устранения причины и следствия?» спрашивает Гу.

Первые исследования причинно-следственной асимметрии использовали модели с классической физикой для генерации предсказаний. Крачфилд и Махони объединились с Гу и его коллегами чтобы выяснить, изменила ли квантовая механика ситуацию.

И они обнаружили, что это произошло. Модели, использующие квантовую физику, как доказывает команда, могут полностью уменьшить нагрузку на память. Квантовая модель, вынужденная эмулировать процесс в обратном времени, всегда будет превосходить классическую модель, эмулирующую процесс в будущем.

Эта работа имеет ряд глубоких последствий. «Самое захватывающее для нас — это возможная связь со стрелой времени», — говорят ученые. «Если причинная асимметрия встречается только в классических моделях, то это предполагает, что наше восприятие причины и следствия, и, следовательно, время, может возникнуть из применения классического объяснения событий в фундаментально квантовом мире».

Далее ученые хотят понять, как это связано с другими идеями времени.

Наиболее знаковой является термодинамическая стрела. Это происходит от идеи, что беспорядок, или энтропия, всегда будет увеличиваться — немного здесь и там, во всем, что происходит, пока Вселенная не закончится как один большой, горячий беспорядок. Хотя причинная асимметрия не совпадает с термодинамической стрелой, они могут быть взаимосвязаны. Классические модели, которые отслеживают больше информации, также генерируют больше беспорядка. Все намекает на то, что причинная асимметрия может иметь энтропийные последствия.

Больше информации: Jayne Thompson et al, Causal Asymmetry in a Quantum World, Physical Review X (2018). DOI: 10.1103/PhysRevX.8.031013