Čas v běžném životě působí jako něco naprosto samozřejmého. Sklenice spadne a rozbije se, ale sama se znovu nesloží. Horká káva vychladne, ale bez dodané energie se z ní znovu nestane vařící nápoj. Právě tato zkušenost stojí za představou takzvané šipky času, tedy směru, kterým se události přirozeně vyvíjejí.

Jenže na úrovni kvantové fyziky je situace podstatně méně intuitivní. Mnohé základní rovnice mikrosvěta fungují i tehdy, když se v nich směr času formálně obrátí. To neznamená, že by fyzici právě otevřeli cestu k návratu do minulosti. Nová práce publikovaná v časopise Physical Review X ale ukazuje, že u pečlivě řízených kvantových systémů lze jejich „vnímanou“ šipku času potlačit, rozmazat, nebo dokonce obrátit.

Studie nese název Reshaping the Quantum Arrow of Time a podepsali ji Luis Pedro García-Pintos, Yi-Kai Liu a Alexey V. Gorshkov. García-Pintos působí v Los Alamos National Laboratory, zatímco další autoři jsou spojeni mimo jiné s americkým Národním institutem pro standardy a technologie a University of Maryland. Autoři se nezabývali filozofickou otázkou času jako takového, ale velmi konkrétním problémem: co se stane, když kvantový systém průběžně měříme a zároveň ho pomocí zpětné vazby aktivně řídíme.

V klasické fyzice si můžeme měření často představit jako poměrně pasivní činnost. Podíváme se na teploměr, změříme rychlost auta nebo zvážíme předmět. Samotný akt měření obvykle zásadně nezmění to, co měříme. V kvantové mechanice je to jiné. Měření může stav systému přímo změnit a právě tato změna pomáhá vytvářet směr, podle něhož lze poznat, zda se děj odehrává „dopředu“, nebo „pozpátku“.

Tým kolem García-Pintose využil tuto zvláštnost jako nástroj. Pomocí měření, zpětné vazby a přesně navrženého řídicího Hamiltoniánu, tedy matematického popisu polí a pulzů působících na systém, ukázal, že lze změnit pravděpodobnostní trajektorie kvantového vývoje. Jinými slovy: systém se za určitých podmínek může chovat tak, že jeho vývoj lépe odpovídá času běžícímu opačným směrem než času běžícímu dopředu.

Autoři popisují několik režimů. V jednom lze šipku času oslabit, v jiném zvýraznit a v dalším ji překompenzovat tak, že se statisticky jeví jako obrácená. Nejde o film přehrávaný pozpátku ani o makroskopický návrat rozbité sklenice na stůl. Jde o řízené kvantové dráhy, u nichž se mění vztah mezi měřením, informací a vývojem systému.

Zajímavá je i vazba na slavný myšlenkový experiment Maxwellova démona. Ten si představuje bytost, která třídí rychlé a pomalé částice a tím zdánlivě snižuje entropii systému. Moderní fyzika ukázala, že druhý zákon termodynamiky tím porušen není, pokud započítáme i cenu za získání a zpracování informace. Nová kvantová práce používá podobnou myšlenku, jen v mnohem přesnějším prostředí měřeného kvantového systému.

Největší význam studie proto neleží v představě cestování časem, ale v kontrole nad kvantovými systémy. Autoři ukázali, že měření nemusí být jen rušivý zásah, který systém rozhodí. Za určitých okolností se může stát zdrojem práce a energie. V článku se proto objevuje i koncept měřením poháněného motoru, který získává energii právě z aktu monitorování kvantového systému.

Takový princip je zatím především teoretický, ale není odtržený od reality současných laboratoří. Autoři zmiňují například supravodivé qubity, tedy jednu z hlavních platforem kvantových počítačů. Právě ty umožňují rychlou zpětnou vazbu a účinnou detekci, což jsou vlastnosti potřebné k experimentálnímu ověření podobných protokolů.