Кембридж использует моделирование путешествий во времени для решения «невозможных» задач.

Исследователи из Кембриджского университета использовали квантовую запутанность для моделирования сценария, похожего на путешествие во времени. Это позволяет ретроспективно изменить предыдущие процедуры, что может улучшить текущие результаты.

Физики показали, что смоделированные модели виртуальных путешествий во времени могут решать экспериментальные проблемы, которые кажутся невозможными для решения с помощью стандартной физики.

Если бы игроки, инвесторы и количественные экспериментаторы могли повернуть стрелу времени, их преимущество было бы намного выше, что привело бы к гораздо лучшим результатам.

Исследователи из Кембриджского университета показали, что, манипулируя запутанностью — особенностью квантовой теории, которая делает частицы неразрывно связанными — они могут моделировать то, что произошло бы, если бы можно было путешествовать во времени. Таким образом, игроки, инвесторы и количественные экспериментаторы могут в некоторых случаях задним числом изменить свои прошлые действия и улучшить свои результаты в настоящем.

Моделирование и временные петли

Могут ли частицы путешествовать назад во времени — спорный вопрос среди физиков, хотя учёным это удалось. ранее Моделирование того, как бы вели себя эти пространственно-временные петли, если бы они действительно существовали. Связав свою новую теорию с квантовой метрологией, которая использует квантовую теорию для проведения чрезвычайно чувствительных измерений, команда Кембриджа показала, что запутанность может решить, казалось бы, невозможные проблемы. Исследование было опубликовано 12 октября в журнале Письма о физическом осмотре.

«Представьте, что вы хотите послать кому-то подарок: вам нужно отправить его в первый день, чтобы быть уверенным, что он будет доставлен на третий день», — сказал ведущий автор Дэвид Арвидссон-Шукур из лаборатории Hitachi в Кембридже. «Однако вы получаете список пожеланий этого человека только на второй день. Таким образом, в этом хронологическом сценарии вы не можете заранее знать, что он захочет в качестве подарка, и гарантировать, что вы отправите правильный подарок.

«Теперь представьте, что вы можете изменить то, что вы отправляете в первый день, с помощью информации из списка желаний, который вы получили на второй день. Наша симуляция использует манипуляции с квантовой запутанностью, чтобы показать, как вы можете задним числом изменить свои прошлые действия, чтобы гарантировать, что конечный результат будет таким, как вы есть». хотеть.

Понимание квантовой запутанности

Моделирование основано на квантовой запутанности, которая состоит из сильных связей, которые могут разделять квантовые частицы, а классические частицы, подчиняющиеся повседневной физике, не могут.

Особенность квантовой физики состоит в том, что если две частицы находятся достаточно близко друг к другу, чтобы взаимодействовать, они могут оставаться связанными, даже когда их разделяют. Это основа Количественная статистика Использование частиц континуума для выполнения вычислений, слишком сложных для классических компьютеров.

«В нашем предложении ученый-экспериментатор запутывает две частицы», — сказала соавтор Николь Янгер Халперн, исследователь из Национального института стандартов и технологий (NIST) и Университета Мэриленда. «Затем первая частица отправляется для использования в эксперименте. После получения новой информации экспериментатор манипулирует второй частицей, чтобы эффективно изменить предыдущее состояние первой частицы, меняя результат эксперимента.

«Эффект отличный, но бывает только один раз из четырех!» Об этом заявила Арвидссон-Шукур. Другими словами, вероятность неудачи моделирования составляет 75%. Но хорошая новость в том, что вы знаете, потерпели ли вы неудачу. Если мы придерживаемся нашей аналогии с подарком, то один раз из четырех подарок будет именно тот, который вы хотите (например, пара брюк), а в другой раз это будут брюки, но не того размера или не того цвета. или это будет куртка».

Практическое применение и ограничения

Чтобы придать своей модели техническую значимость, теоретики связали ее с наукой о количественных измерениях. В обычном эксперименте по количественному определению фотоны — маленькие частицы света — освещают интересующий образец, а затем регистрируются с помощью камеры специального типа. Чтобы этот эксперимент был эффективным, фотоны должны быть определенным образом подготовлены, прежде чем они достигнут образца. Исследователи показали, что даже если они научатся лучше готовить фотоны только после того, как фотоны достигнут образца, они смогут использовать моделирование путешествий во времени, чтобы задним числом изменить исходные фотоны.

Чтобы противостоять высокой вероятности неудачи, теоретики предлагают отправить большое количество запутанных фотонов, зная, что некоторые из них в конечном итоге будут нести правильную и обновленную информацию. Затем они используют фильтр, чтобы убедиться, что в камеру попадают нужные фотоны, в то время как фильтр отклоняет остальные «плохие» фотоны.

«Вспомните нашу предыдущую аналогию с подарками», — сказал соавтор Эйдан МакКоннелл, который проводил это исследование во время получения степени магистра в Кавендишской лаборатории в Кембридже, а сейчас является аспирантом в ETH в Цюрихе. «Предположим, отправка подарков обходится недорого, и мы можем отправить несколько посылок в первый день. Ко второму дню мы знаем, какой подарок нам следует отправить. К моменту прибытия посылок на третий день каждый четвертый подарок будет верны, и мы выбираем их». Сообщая получателю, от какой доставки следует избавиться.

«То, что нам нужно было использовать кандидата, чтобы наше испытание было успешным, на самом деле очень обнадеживает», — сказал Арвидссон-Шукур. «Мир был бы очень странным, если бы симуляции путешествий во времени работали каждый раз. Теория относительности и все теории, на которых мы основываем наше понимание нашей Вселенной, были бы за бортом».

«Мы не предлагаем машину для путешествий во времени, мы предлагаем глубокое погружение в основы квантовой механики. Эта симуляция не позволяет вам вернуться назад и изменить свое прошлое, но она позволяет вам создать лучшее будущее, решаем вчерашние проблемы сегодня».

Ссылка: «Неклассическая особенность в метрологии, создаваемая квантовым моделированием замкнутых кривых виртуального времени», Дэвид Р.М. Арвидссон-Шукур, Эйдан Г. МакКоннелл и Николь Юнгер Халперн, 12 октября 2023 г., Письма о физическом осмотре.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.150202

Эта работа была поддержана Американско-Шведским фондом, Мемориальным фондом Ларса Герты, Гиртон-колледжем и Исследовательским советом по инженерным и физическим наукам (EPSRC), входящим в состав Британской исследовательской и инновационной организации (UKRI).