科学家们开发了一种新的方式来控制量子系统，使其行为看起来更像是时间向后流动，而不是向前。研究发表在《物理评论X》上，介绍了重塑系统“时间箭头”的量子控制协议，该概念表明时间自然只向一个方向流动。这种方法最终可能支持从量子系统中提取能量和准备量子态的新方法。量子系统，如一组量子比特，遵循量子力学的规则，而不是经典物理。通过使用新开发的控制协议，研究人员可以抑制时间箭头的正常出现，甚至逆转其表观方向，使量子过程看起来像是向后展开。作为这种技术的示范，研究团队还创建了一种测量引擎，可以通过量子测量的行为收集能量。洛斯阿拉莫斯国家实验室的物理学家路易斯·佩德罗·加西亚-平托斯说：“与我们周围观察到的现象不同，在微观层面上，物理学的大多数基本法则认为时间的前后移动在物理上是可能的。换句话说，这些物理法则在时间反转下是对称的；如果你反转时间，这些方程同样有效。对于在微观层面操作的量子系统，我们构建的工具可以操纵感知的时间箭头，导致控制量子系统的惊人和新颖的方法。” 工程逆向量子行为 在日常的经典物理中，进行测量对被观察对象几乎没有影响。而量子系统的行为则大相径庭。测量它们会随机改变它们的状态，自然产生时间箭头。为了克服这一影响，研究人员将测量与反馈结合，以产生时间反转的随机轨迹。这使得量子系统能够沿着看似与时间向后流动的一致路径行进。团队通过设计控制哈密顿量，这是一系列精心计划的场和脉冲序列，再现量子测量的效果。将哈密顿量纳入反馈系统后，它可以抵消、增强或过度修正测量引起的干扰。因此，系统可以生成与拉伸、模糊或倒置的时间箭头相对应的轨迹。 麦克斯韦恶魔的量子版本 这项工作还构建在19世纪著名的思想实验“麦克斯韦恶魔”基础上。在该情景中，一个假想的观察者选择性地对热粒子和冷粒子进行分类，似乎降低了熵，从而挑战了热力学第二定律，这一定律指出熵自然而然增加或保持不变。（后来的物理学表明，当考虑所有热力学成本的来源时，第二定律并未被违反。）洛斯阿拉莫斯团队的量子“恶魔”利用关于量子系统状态和测量结果的信息来产生类似的不寻常行为，有效地逆转了系统的自然时间箭头。 从量子测量中提取能量 这些新的控制方法还允许研究人员影响能量在量子系统内部和外部的流动。这种能力可能为一个连续测量引擎提供动力，从监测过程中直接提取有用的能量。在这一框架下，量子测量成为可以利用的热力学资源，以执行工作，例如驱动另一个量子过程或在量子电池中存储能量。展望未来，研究人员计划实验性地演示基于哈密顿量的量子反馈控制测量过程，使用超导量子比特。这些系统支持快速反馈、高效检测，并且已经被用于实现麦克斯韦恶魔的量子版本。未来的研究还将应用新技术来开发改进的量子态准备协议。 资助：这项工作得到了美国能源部、科学办公室、先进科学计算研究项目、洛斯阿拉莫斯先进仿真与计算项目的超越摩尔定律项目以及国家科学基金会的支持。