研究人员开发出一种量子控制技术，能够使系统看起来像在时间上倒退。通过对量子测量进行精确调控，他们不仅能重塑系统的时间之箭，甚至还能从测量过程本身汲取能量。这一突破有望催生出更强大的量子计算机、量子电池及其他先进技术。
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，研究人员能够抑制时间之箭的常规显现，甚至逆转其表观方向，使量子过程看起来像是正在逆向展开。作为该技术的演示，该团队还创建了一种测量引擎，可以从量子测量行为中提取能量。
洛斯阿拉莫斯国家实验室物理学家 Luis Pedro García-Pintos 表示：“与我们在周围观察到的现象不同，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。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。对于在该微观层面上运作的量子系统，我们构建的工具可以操控感知到的时间之箭，从而产生令人惊讶的、新颖的量子系统控制方法。”
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。量子系统的行为则截然不同。测量它们会随机改变其状态，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。
该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，能够复现量子测量的效应。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。结果，该系统可以产生对应于拉伸、模糊或反转的时间之箭的轨迹。
麦克斯韦妖的量子版本
这项工作也建立在 19 世纪著名的被称为“麦克斯韦妖”的思想实验之上。在该情景中，一个假设的观察者选择性地将热粒子和冷粒子分类，表观上减少了熵，从而挑战了热力学第二定律（该定律指出熵自然增加或保持不变）。（后来的物理学表明，当计入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和测量结果的信息来产生类似的异常行为，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，该引擎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，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，并已被用于实现麦克斯韦妖的量子版本。未来的研究还将应用这些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。