量子系统（例如一组量子比特）遵循量子力学规律而非经典物理学规律。利用新开发的控制协议，研究人员可以抑制时间之箭的常规显现，甚至逆转其表观方向，使量子过程看起来仿佛正在倒退。作为该技术的演示，团队还制造了一种测量引擎，可以从进行量子测量的行为中提取能量。
“与我们观察到的周围现象不同，在微观层面上，大多数物理学基本定律认为时间上的向前和向后运动在物理上都是可能的，”洛斯阿拉莫斯国家实验室物理学家路易斯·佩德罗·加西亚-平托斯说道，“换句话说，这些物理定律在时间反演下是对称的；如果你让时间倒流，这些方程同样适用。对于在微观层面运作的量子系统，我们构建的工具可以操纵感知到的时间之箭，从而产生令人惊讶的、新颖的量子系统控制方法。”
构建时间反演的量子行为
在日常经典物理学中，进行测量对被观测物体的影响微乎其微。量子系统的表现则截然不同。测量会随机改变它们的状态，从而自然地产生了时间之箭。
为了克服这种效应，研究人员将测量与反馈相结合，以产生时间反演的随机轨迹。这使得量子系统能够遵循看起来与时间倒流相一致的路径。
团队通过设计一个控制哈密顿量实现了这一点，这是一组经过精心规划的场和脉冲序列，能够重现量子测量的效应。当整合到反馈系统中时，该哈密顿量可以抵消、增强甚至过度校正由测量引起的扰动。结果，系统可以产生对应于拉伸、模糊或倒置的时间之箭的轨迹。
量子版的“麦克斯韦妖”
这项工作也建立在被称为“麦克斯韦妖”的著名19世纪思想实验之上。在该场景中，一个假想的观察者选择性地分拣热粒子和冷粒子，这表面上减少了熵，并对热力学第二定律提出了挑战，该定律指出熵会自然增加或保持不变。（后来的物理学表明，当考虑到所有热力学代价的来源时，热力学第二定律并没有被违反。）
洛斯阿拉莫斯团队的量子“妖”利用有关量子系统状态和测量结果的信息，产生了类似的异常行为，有效地逆转了系统的自然时间之箭。
从量子测量中提取能量
新的控制方法还允许研究人员影响能量进出量子系统的方式。这种能力可以为连续测量引擎提供动力，使其直接从监测过程中提取有用的能量。
在这一框架下，量子测量成为一种可以被利用来做功的热力学资源，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，研究人员计划利用超导量子比特，通过实验演示用于量子反馈控制的基于哈密顿量的测量过程。这些系统支持快速反馈和高效探测，并且已被用于实现量子版的麦克斯韦妖。未来的研究还将应用新技术来开发改进的量子态制备协议。
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计划、洛斯阿拉莫斯先进模拟与计算计划的“超越摩尔定律”项目以及国家科学基金会的支持。