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。利用新开发的控制协议，研究人员可以抑制时间箭头的常规显现，甚至逆转其表观方向，使量子过程看起来仿佛在倒退。作为该技术的演示，研究团队还构建了一种测量引擎，可以从量子测量行为中获取能量。
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（Luis Pedro García-Pintos）表示：“与我们周围观察到的现象不同，在微观层面上，大多数基本物理定律认为时间上的向前和向后运动在物理上都是可能的。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，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控感知到的时间箭头，从而产生令人惊讶的、控制量子系统的新颖方法。”
设计时间反演的量子行为
在日常经典物理学中，进行测量对被观察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，从而自然地产生时间箭头。
为了克服这种效应，研究人员将测量与反馈相结合，产生了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。
研究团队通过设计一个控制哈密顿量（一种经过精心设计的场和脉冲序列）实现了这一点，该哈密顿量能够重现量子测量的效应。当纳入反馈系统时，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。因此，系统可以产生对应于拉伸、模糊或倒置的时间箭头的轨迹。
量子版的麦克斯韦妖
这项工作也建立在19世纪著名的思想实验“麦克斯韦妖”之上。在该情境中，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成本来源时，热力学第二定律并未被违反。）
洛斯阿拉莫斯团队的量子“妖”利用有关量子系统状态的信息和测量结果，产生了类似的异常行为，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
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。
在此框架下，量子测量成为一种可用于做功的热力学资源，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，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局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”项目以及美国国家科学基金会的支持。