Os fa­sicos hámuito buscam compreender a irreversibilidade do mundo circundante e creditaram seu surgimento a s leis fundamentais da física, simanãtricas no tempo. De acordo com a meca¢nica qua¢ntica , a irreversibilidade final da reversão do tempo conceitual requer cenários extremamente intrincados e implausa­veis que provavelmente não ocorrera£o espontaneamente na natureza. Os fa­sicos já haviam mostrado que, embora a reversibilidade no tempo seja exponencialmente improva¡vel em um ambiente natural, épossí­vel projetar um algoritmo para reverter artificialmente uma flecha do tempo para um estado conhecido ou determinado em um computador qua¢ntico IBM. No entanto, esta versão da flecha invertida do tempo abraa§ou apenas um estado qua¢ntico conhecido e anã, portanto, comparada a  versão qua¢ntica depressionando retroceder em um va­deo para "reverter o fluxo do tempo".

Em um novo relatório agora publicado na Communications Physics , os fa­sicos AV Lebedev e VM Vinokur e colegas em materiais, física e engenharia avana§ada nos EUA e na Raºssia, construa­ram em seu trabalho anterior para desenvolver um manãtodo tanãcnico para reverter a evolução temporal de um desconhecido arbitra¡rio estado qua¢ntico . O trabalho tanãcnico abrira¡ novas rotas para algoritmos universais gerais enviarem a evolução temporal de um sistema arbitra¡rio para trás no tempo. Este trabalho apenas descreveu o processo matema¡tico de reversão do tempo, sem implementações experimentais.

A seta do tempo se origina de expressar a direção do tempo em uma rota singular em relação a  segunda lei da termodina¢mica , o que implica que o crescimento da entropia decorre da dissipação de energia do sistema para o meio ambiente. Os cientistas podem, portanto, considerar a dissipação de energia em relação ao emaranhamento do sistema com o meio ambiente. Pesquisas anteriores focaram exclusivamente no ponto de vista qua¢ntico da flecha do tempo e na compreensão dos efeitos do Landau-Neumann-Wignerhipa³tese para quantificar a complexidade de reverter a flecha do tempo em um computador qua¢ntico IBM. No presente trabalho, os cientistas propaµem o uso de um reservata³rio termodina¢mico em temperaturas finitas para formar um banho estoca¡stico de alta entropia para termalizar um determinado sistema qua¢ntico e aumentar experimentalmente a desordem tanãrmica ou entropia no sistema. Poranãm, experimentalmente, os computadores IBM não suportam a termização, o que constitui a primeira etapa do ciclo proposto atualmente.

Em teoria, a presença do reservata³rio tanãrmico inesperadamente possibilitou a preparação de estados tanãrmicos de alta temperatura de um sistema qua¢ntico auxiliar (alternativo) em outro lugar, governado pelo mesmo hamiltoniano (um operador que corresponde a  soma da energia cinanãtica e energias potenciais para todospartículas no sistema). Isso permitiu a Lebedev e Vinokur conceber matematicamente um operador de evolução no tempo para trás para reverter a dina¢mica cronola³gica em um determinado sistema qua¢ntico.

A equipe definiu o processo de reversão do tempo universal de um estado qua¢ntico desconhecido usando a matriz de densidade de um sistema qua¢ntico (um estado misto); para descrever a reversão da evolução do sistema temporal para retornar ao seu estado original. O estado qua¢ntico do novo sistema pode permanecer desconhecido durante a implementação da seta da reversão do tempo. Em contraste com o protocolo anterior de reversão do tempo de um estado qua¢ntico conhecido, o estado inicial não precisava ser de um estado puramente não correlacionado e poderia permanecer em um estado misto e se correlacionar com as interações anteriores com o ambiente. A equipe observou complexidade de reversão de tempo reduzida para um estado misto de alta entropia no sistema.

Lebedev et al. baseou-se no procedimento de reversão anteriormente detalhado por S. Lloyd, Mohseni e Rebentrost (procedimento LMR) para construir ou mapear a matriz de densidade inicial. O procedimento LMR considerou o arranjo combinado do sistema em questãoe um ancillapara realizar computação reversa­vel. O sistema experimental seráequipado com um banho termodina¢mico para termalizar a ancilla e fornecer o estado desejado para evolução reversa. Quanto mais quente o sistema, mais caa³tico ele se tornara¡. Ao usar um reservata³rio de calor para expor o sistema auxiliar a uma temperatura extremamente alta, Lebedev et al. paradoxalmente, objetiva observar experimentalmente o passado frio e ordenado do sistema prima¡rio usando a fa³rmula LMR. Os autores argumentam que um algoritmo de reversão de tempo universal pode executar uma computação ao contra¡rio, sem um estado qua¢ntico especa­fico para o qual retroceder, desde que o algoritmo facilite a reversão de tempo atéseu ponto de origem.

O trabalho apenas delineou a análise matemática da reversão do tempo, sem especificar implementações experimentais. Enquanto exercitava a reversão do tempo, o sistema proposto continuou a manter a evolução direta governada por seu pra³prio hamiltoniano. A complexidade computacional da reversão do tempo para um estado qua¢ntico desconhecido era proporcional ao quadrado da dimensão do espaço de Hilbert do sistema (um espaço vetorial abstrato). Para conseguir isso na prática , o sistema experimental exigira¡ um sistema natural que evolua sob um hamiltoniano desconhecido ao lado da termalização, que os computadores qua¢nticos não suportam, emparelhado com portas qua¢nticas universais para alcana§ar a reversão do tempo. Como resultado, a implementação prática deste trabalho exigira¡ uma atualização dos computadores qua¢nticos existentes para atender aos requisitos descritos.

Lebedev et al. portanto, visam atualizar o projeto existente de chips qua¢nticos para alcana§ar um conjunto de qubits interativos (bits qua¢nticos) que podem termalizar sob demanda em um ambiente de alta temperatura. Para conseguir isso, qubits supercondutores podem ser acoplados a uma linha de transmissãoonde a radiação tanãrmica de alta temperatura seráalimentada para definir os qubits para um estado de alta temperatura. Depois disso, eles exigira£o um segundo conjunto de qubits que pode armazenar um estado qua¢ntico semelhante ao conjunto original de qubits. Quando o conjunto original de qubits éentão experimentalmente termizado para implementar a evolução LMR conjunta, os qubits subsequentes sera£o capazes de sofrer dina¢mica reversa no tempo sob o mesmo hamiltoniano para alcana§ar o estado original. Se implementado com precisão, o mecanismo proposto também facilitara¡ a correção de erros de um computador qua¢ntico atualizado para confirmar sua função correta. Lebedev et al. vislumbrar a implementação do procedimento em computadores emergentes com qubits termalizados sob demanda.

Dessa forma, Lebedev e Vinokur demonstraram o procedimento de reversão de tempo de um estado qua¢ntico misto desconhecido. O processo depende da execução do protocolo LMR e da existaªncia de um sistema ancilla, cuja dina¢mica pode ser governada pelo mesmo hamiltoniano que o hamiltoniano do sistema reverso. Para realizar o procedimento de reversão, o protocolo LMR precisara¡ ser aplicado sequencialmente ao estado conjunto do sistema e ancilla, preparado em um estado tanãrmico. O trabalho desenvolveu uma fa³rmula para destacar o número de ciclos que devem ser repetidos para reverter o estado de um determinado sistema para estados anteriores no passado. Esse número dependera¡ da complexidade do sistema e de quanto tempo atrás ele deve ir. Ao implementar o protocolo de reversão de tempo, a taxa de operação do procedimento LMR deve ser suficientemente alta,evolução temporal do sistema reverso.