未知量子态的时间反转

物理学家长期以来一直试图了解周围世界的不可逆性，并将它的出现归功于时间对称的基本物理定律。根据量子力学，概念性时间反转的最终不可逆性需要极其复杂和不可信的场景，而这些场景不太可能在自然界中自发发生。物理学家之前已经证明，虽然在自然环境中时间可逆性是指数级的，但有可能设计一种算法，在IBM量子计算机中人为地将时间箭头反转到已知或给定的状态。然而，这个版本的反向时间之箭只包含了一种已知的量子态，因此与在视频上按下倒带来逆转时间流的量子版本相比。在一份新的报告中，物理学家A.V.列别捷夫和V.M.Vinokur以及美国和俄罗斯的材料、物理和先进工程学的同事们，在他们之前工作的基础上，开发了一种技术方法来逆转任意未知的时间演变。这份报告现已发表在《通信物理学》杂志(Communications Physical)上。(译者注：美国和俄罗斯的物理学家A.V.Lebedev和V.M.Vinokur以及他们在材料、物理和先进工程领域的同事们在之前工作的基础上，开发了一种技术方法来逆转任意未知的时间演变。这项技术工作将为通用通用算法及时倒退任意系统的时间演化开辟新的途径。这项工作只概述了时间反转的数学过程，没有实验实现。

时间箭头起源于以相对于热力学第二定律的奇异路径表示时间方向，这意味着熵增长源于系统对环境的能量耗散。因此，科学家可以考虑与系统与环境的纠缠相关的能量耗散。以前的研究仅仅集中在时间之箭的量子观点和理解Landau-Neumann-Wigner假设的影响，以量化在IBM量子计算机上反转时间之箭的复杂性。在目前的工作中，科学家们建议使用有限温度下的热力学储存库来形成高熵随机浴来对给定的量子系统进行热化，并在实验上增加系统中的热无序或熵。然而，在实验上，IBM计算机不支持热化，这是目前提议的周期的第一步。

理论上，热库的存在出人意料地使得在其他地方制备辅助(替代)量子系统的高温热态成为可能，该系统受相同的哈密顿量(与系统中所有粒子的动能和势能之和相对应的算符)支配。这使得列别捷夫和维诺库尔能够在数学上设计出一种反向时间演化的算符，来逆转给定量子系统中的时间动力学。

该研究小组使用量子系统(混合态)的密度矩阵定义了未知量子态的普遍时间反转过程，以描述时间系统演化到其原始状态的反转。在实施时间反转箭头的同时，新系统的量子态可能仍然未知。与已知量子态的时间反转的先前协议相比，初始态也不必是纯粹不相关的状态，并且可以保持在混合态，并且与过去与环境的相互作用相关。研究小组注意到，系统中混合高熵状态的时间反转复杂性降低了。

Lebedev等人。利用S.Lloyd，Mohseni和Rebtrost之前详细描述的反转过程(LMR过程)来构建或绘制初始密度矩阵。LMR程序考虑了所讨论的系统和Ancilla的组合布置，以完成可逆计算。实验系统将配备一个热力学浴池，以使Ancilla热化，并为反向进化提供所需的状态。系统越热，就会变得越混乱。通过使用热源将辅助系统暴露在极高的温度下，Lebedev等人。矛盾的是，目的是用LMR公式通过实验观察初级系统的冷态和有序的过去。作者的理由是，通用时间反转算法可以反向运行计算，而不需要倒带到特定的量子态，只要该算法有助于将时间反转到其起始点。

这项工作只概述了时间反转的数学分析，而没有具体说明实验实现。在进行时间反转的同时，所提出的系统继续保持其哈密顿量所支配的正向演化。未知量子态的时间反转的计算复杂度与系统的希尔伯特空间维数(抽象矢量空间)的平方成正比。为了在实践中实现这一点，实验系统将需要一个进化的自然系统。

Gonzalo Manzano等人。任意环境下的量子涨落定理：绝热和非绝热熵产生，物理评论X(2018)。DOI：10.1103/PhysRevX.8.031037