如何逆转未知的量子过程

(a) 在经典世界中，时间有一个明确无误的方向性，这里通过衰老的过程来说明，尽管它具有决定性的性质，但这个过程实际上是不能逆转的。在本文中，我们表明，这些同样的限制并不适用于量子领域。(b) 量子力学的单元性保证了一个给定的时间演化𝑈的逆总是存在的，即使它可能是未知的。(c) 通过让目标量子系统通过一个相互作用区域，可以实现一个扰动的时间演化𝑉。(d) 一个量子开关使目标系统在其自由演化𝑈和扰动演化𝑉的叠加中演化。这种时间演化的叠加可以用来将系统向后 "倒退"，而不需要对𝑈、𝑉或状态|Ψ⟩有任何了解。资料来源：Optica（2022）。doi: 10.1364/optica.469109

在我们周围的世界中，各种过程似乎都遵循一定的时间方向。蒲公英最终会变成吹球。然而，量子领域并不遵循同样的规则。维也纳大学和维也纳IQOQI的物理学家现在已经证明，对于某些量子系统，过程的时间方向可以被逆转。这个所谓的倒转协议的演示已经发表在《Optica》上。

日常生活中充满了被充分理解的变化，但实际上是不可能逆转的；例如，蒲公英蜕变成一个吹球的过程。然而，人们可以想象，如果人们精确地知道植物中的每个分子是如何在时间中移动的，就可以一步一步地撤销这种转变。在量子领域，这个问题变得更加棘手：量子物理学的核心原则之一是，只要观察一个系统就会导致它的变化。

这使得即使在原则上也不可能跟踪一个系统在时间上的变化并逆转这一过程。然而，与此同时，量子力学定律也开辟了新的可能性，如通用倒带协议。这些允许逆转量子系统的变化而不知道它们是什么。

在维也纳大学和维也纳IQOQI的合作中，以菲利普-瓦尔特为首的实验物理学家已经成功实施了由米格尔-纳瓦斯库斯领导的理论物理学家开发的这种通用倒带协议。将这一新颖的理论协议与复杂的光学装置相结合，该小组表明，确实有可能恢复量子系统的变化。为此，他们采用了超快的光纤元件和自由空间干涉仪作为量子开关来布置。

他们成功地逆转了单个光子的时间演变，而不知道它在时间上是如何变化的，甚至不知道它的初始和最终状态是什么。"值得注意的是，这个协议甚至不需要知道与量子系统的相互作用的性质，"该出版物的第一作者Peter Schiansky说。

他们的通用倒带协议在运行时间上是最有效的，并且可以扩展到以任意高的概率成功。证明复卷协议以这种一般形式存在，并且在技术上是可行的，这有助于我们对基本量子力学的理解。在未来，这些协议可能成为量子信息技术的一个有用工具。

参考资料：P. Schiansky等人，证明了量子比特过程的普遍时间反转，Optica（2022）。doi: 10.1364/optica.469109

本文由光电查搜集整理，未经同行评议，请自行判断可信度。仅供学习使用。