Science Alert (Австралия): симуляция путешествия во времени показала, что квантового «эффекта бабочки» не существует
В научной фантастике такие неожиданные последствия путешествий во времени как «эффект бабочки», может, и становятся большой проблемой, но недавно появились основания считать, что в квантовом мире искажение истории не столь фатально. Для этого физики Николай Синицын и Бинь Ян провели особый эксперимент.
Вот вам история: герой отправляется в прошлое, находит маленького Гитлера и предотвращает Вторую мировую войну, настроив его на мирный лад… Но вдруг… о нет! Поступок запускает цепочку взаимосвязанных событий, которые в итоге мешают нашему герою родиться или, еще хуже, вызывают конец света.
Неожиданные последствия путешествий во времени в стиле «эффекта бабочки» в научной фантастике, может, и становятся большой проблемой. Но недавно у физиков появились основания считать, что в квантовом мире искажение истории — едва ли такая уж беда.
Поскольку отправиться в прошлое все еще слишком сложно, пара физиков из американской Лос-Аламосской национальной лаборатории решили чуть снизить планку и симулировать такое путешествие с помощью квантового компьютера IBM-Q.
«С помощью квантового компьютера можно без проблем симулировать обратную эволюцию или запустить процесс задом наперед в прошлое», — говорит физик-теоретик Николай Синицын.
Конечно, речь не идет о таких сложных вещах, как создание целой вселенной со множеством людей и исторических событий. Но даже воспроизведение отдельной ситуации между разными связанными между собой квантовыми состояниями позволяет ученым проследить, во что в будущем выливаются крошечные изменения в прошлом.
«Так что мы действительно можем увидеть, что произойдет со сложным квантовым миром, если мы отправимся обратно во времени, что-то немного поменяем и вернемся. Мы обнаружили, что мир сохранен, а это значит, что никакого эффекта бабочки в квантовой механике не предполагается», — рассказывает Синицын.
Даже если вы никогда раньше не слышали об эффекте бабочки, вы наверняка сталкивались с ним в фантастических произведениях о путешествиях во времени, где он то и дело дает о себе знать. Например, Рэй Брэдбери упоминал его в рассказе 1952 года «И грянул гром». Там главный герой изменил будущее, всего лишь раздавив бабочку.
Помимо фантастики, отсылка на мощное влияние хрупкой бабочки на историю есть и в физической интерпретации теории хаоса, которую когда-то сформулировал в известном высказывании метеоролог Массачусетского технологического института Эдвард Лоренц (Edward Lorenz):
«Не вызывает ли взмах крыльев бабочки торнадо в Техасе?»
Как и у обреченной бабочки Брэдбери, у этого механизма в рамках теории хаоса могут быть далеко идущие последствия, которые у нас нет надежды когда-либо предугадать, настолько сложны там побочные эффекты.
Но в классическом физическом мире мы можем представить себе принцип домино. Каждая костяшка домино дискретна, и ее поведение предсказуемо (даже если общий связанный с цепочкой процесс в конечном итоге выходит за рамки карт, моделей и алгоритмов).
Квантовые состояния изменяются согласно совершенно другому набору правил, и раньше никто не был уверен в том, как именно эффект бабочки работает в квантовом мире.
В данном случае Синицын и его коллега Бинь Ян хотели узнать, что случится, если они отмотают назад взаимодействия, которые запутывают квантовые волны возможностей, — единицы суперпозиции, которые мы называем кубитами, — а затем совершат действие, аналогичное в квантовом мире уничтожению бабочки. Останется ли будущее таким же?
Для тех, кто интересуется техническими деталями: некоторое число запутанных кубитов пропустили через набор логических ворот, а затем вернули в первоначальное окружение.
После того как они вернулись в исходное положение, ученые произвели измерение, эффективно превратив относящееся к кубитам прекрасное множество «возможностей» в одну устойчивую «действительность» и выведя их из суперпозиции. Затем весь набор кубитов вновь привели в действие.
«Мы обнаружили, что даже если перемещенный кубит изменит какое-то из запутанных состояний, мы все равно с легкостью сможем восстановить полезную информацию, потому что повреждение не умножается в процессе декодирования», — говорит Ян.
Оказывается, наша агонизирующая бабочка в квантовом мире не играет никакой роли.
Исследователи предполагают, что запутанная история кубита — это не хрупкий набор переменных, подверженных разрушению, но именно то, что сохраняет его будущее. Чем дальше кубит путешествует назад во времени, тем больше вероятность, что наш герой вернется в настоящее со всей информацией в целости и сохранности.
Прежде чем вы успеете впасть в излишний энтузиазм по поводу последствий этого исследования, давайте кое-что проясним. Ученые вовсе не занимаются созданием потокового накопителя, уж простите. Но результаты эксперимента могут найти интересное применение в будущих квантовых системах — возможно, для того чтобы проверить, работают ли они по-прежнему по квантовым правилам.
«Мы обнаружили, что понятие хаоса в классической физике и квантовой механике надо трактовать по-разному», — говорит Синицын.
Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Science Alert (Австралия)