Los físicos han buscado durante mucho tiempo comprender la irreversibilidad del mundo circundante y han atribuido su surgimiento al tiempo simétrico, leyes fundamentales de la física. Según la mecánica cuántica, la irreversibilidad final de la inversión del tiempo conceptual requiere escenarios extremadamente intrincados e inverosímiles que es poco probable que ocurran espontáneamente en la naturaleza. Los físicos habían demostrado anteriormente que, si bien la reversibilidad del tiempo es exponencialmente improbable en un entorno natural, es posible diseñar un algoritmo para revertir artificialmente una flecha de tiempo a un estado dado o conocido dentro de una computadora cuántica de IBM. Sin embargo, esta versión de la flecha del tiempo invertida solo abarcaba un estado cuántico conocido y, por lo tanto, se compara con la versión cuántica de presionar rebobinar en un video para "invertir el flujo del tiempo".

En un nuevo informe ahora publicado en Física de las comunicaciones , Los físicos A.V. Lebedev y V.M. Vinokur y colegas en materiales, física e ingeniería avanzada en los EE. UU. y Rusia, se basó en su trabajo anterior para desarrollar un método técnico para revertir la evolución temporal de un estado cuántico desconocido arbitrario. El trabajo técnico abrirá nuevas rutas para que los algoritmos universales generales envíen la evolución temporal de un sistema arbitrario hacia atrás en el tiempo. Este trabajo solo describió el proceso matemático de inversión del tiempo sin implementaciones experimentales.

La flecha del tiempo y el desarrollo de un protocolo de inversión del tiempo

La flecha del tiempo se origina al expresar la dirección del tiempo en una ruta singular relativa a la segunda ley de la termodinámica, lo que implica que el crecimiento de la entropía proviene de la disipación de energía del sistema al medio ambiente. Por lo tanto, los científicos pueden considerar la disipación de energía en relación con el enredo del sistema con el medio ambiente. La investigación anterior se centró únicamente en el punto de vista cuántico de la flecha del tiempo y en la comprensión de los efectos de la hipótesis de Landau-Neumann-Wigner para cuantificar la complejidad de invertir la flecha del tiempo en una computadora cuántica de IBM. En el presente trabajo, los científicos proponen usar un depósito termodinámico a temperaturas finitas para formar un baño estocástico de alta entropía para termalizar un sistema cuántico dado y aumentar experimentalmente el desorden térmico o la entropía en el sistema. Sin embargo, experimentalmente, las computadoras IBM no admiten la termalización, que constituye el primer paso en el ciclo propuesto actualmente.

En teoria, la presencia del depósito térmico hizo posible inesperadamente preparar estados térmicos de alta temperatura de un sistema cuántico auxiliar (alternativo) en otro lugar, gobernado por el mismo hamiltoniano (un operador que corresponde a la suma de la energía cinética y las energías potenciales para todas las partículas del sistema). Esto permitió a Lebedev y Vinokur idear matemáticamente un operador de evolución en el tiempo hacia atrás para revertir la dinámica cronológica en un sistema cuántico dado.

Procedimiento universal y sistema auxiliar

El equipo definió el proceso universal de inversión del tiempo de un estado cuántico desconocido utilizando la matriz de densidad de un sistema cuántico (un estado mixto); para describir la inversión de la evolución del sistema temporal para volver a su estado original. El estado cuántico del nuevo sistema podría permanecer desconocido mientras se implementa la flecha de inversión del tiempo. En contraste con el protocolo anterior de inversión temporal de un estado cuántico conocido, el estado inicial tampoco tenía que ser un estado puramente no correlacionado y podía permanecer en un estado mixto y correlacionarse con interacciones pasadas con el medio ambiente. El equipo notó una reducción en la complejidad de la inversión en el tiempo para un estado mixto de alta entropía en el sistema.

Lebedev y col. se basó en el procedimiento de reversión previamente detallado por S. Lloyd, Mohseni y Rebentrost (procedimiento LMR) para construir o mapear la matriz de densidad inicial. El procedimiento LMR consideró la disposición combinada del sistema en cuestión y una ancilla para lograr un cálculo reversible. El sistema experimental estará equipado con un baño termodinámico para termalizar la ancilla y proporcionar el estado deseado para la evolución inversa. Cuanto más caliente está el sistema, más caótico se volvería. Al usar un depósito de calor para exponer el sistema auxiliar a una temperatura extremadamente alta, Lebedev y col. paradójicamente pretenden observar experimentalmente el pasado frío y ordenado del sistema primario utilizando la fórmula LMR. Los autores razonan que un algoritmo de inversión de tiempo universal puede ejecutar un cálculo a la inversa, sin un estado cuántico específico al que rebobinar, siempre que el algoritmo facilite la inversión del tiempo hasta su punto de origen.

Complejidad computacional del procedimiento de inversión del tiempo

El trabajo solo describió el análisis matemático de la inversión del tiempo sin especificar implementaciones experimentales. Mientras ejercita la inversión del tiempo, el sistema propuesto continuó manteniendo la evolución hacia adelante gobernada por su propio hamiltoniano. La complejidad computacional de la inversión del tiempo para un estado cuántico desconocido era proporcional al cuadrado de la dimensión espacial de Hilbert del sistema (un espacio vectorial abstracto). Para lograr esto en la práctica, el sistema experimental requerirá un sistema natural que evolucione bajo un hamiltoniano desconocido junto con la termalización, que las computadoras cuánticas no son compatibles, emparejado con puertas cuánticas universales para lograr la inversión del tiempo. Como resultado, La implementación práctica de este trabajo requerirá una actualización de las computadoras cuánticas existentes para cumplir con los requisitos descritos.

Una ruta para actualizar el diseño existente de chips cuánticos

Lebedev y col. por lo tanto, apuntan a actualizar el diseño existente de chips cuánticos para lograr un conjunto de qubits interactivos (bits cuánticos) que puedan termalizar bajo demanda en un entorno de alta temperatura. Para lograr esto, Los qubits superconductores se pueden acoplar a una línea de transmisión donde se alimentará la radiación térmica de alta temperatura para establecer los qubits en un estado de alta temperatura. Después de eso, requerirán un segundo conjunto de qubits que pueda almacenar un estado cuántico similar al conjunto original de qubits. Cuando el conjunto original de qubits se termaliza experimentalmente para implementar la evolución conjunta de LMR, los qubits posteriores podrán experimentar una dinámica inversa en el tiempo bajo el mismo hamiltoniano para alcanzar el estado original. Si se implementa con precisión, el mecanismo propuesto también facilitará la corrección de errores de una computadora cuántica mejorada para confirmar su correcto funcionamiento. Lebedev y col. Imagine la implementación del procedimiento en computadoras emergentes con qubits térmicos bajo demanda.

De este modo, Lebedev y Vinokur demostraron el procedimiento de inversión del tiempo de un estado cuántico mixto desconocido. El proceso se basa en realizar el protocolo LMR y la existencia de un sistema auxiliar, cuya dinámica puede ser gobernada por el mismo hamiltoniano que el hamiltoniano del sistema inverso. Para lograr el procedimiento de reversión, el protocolo LMR deberá aplicarse secuencialmente al estado conjunto del sistema y la ancilla, preparado en estado térmico. El trabajo desarrolló una fórmula para resaltar el número de ciclos que deben repetirse para revertir el estado de un sistema dado hacia estados anteriores en el pasado. Este número dependerá de la complejidad del sistema y de cuánto tiempo se supone que debe retroceder. Al implementar el protocolo de inversión de tiempo, la tasa de operación del procedimiento LMR debe ser suficientemente alta, invadir la evolución en el tiempo hacia adelante del sistema inverso.

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