Cercetătorii de la Institutul de Fizică şi Tehnologie din Moscova (MIPT) împreună cu colegii lor din SUA şi Elveția, au întors pentru o fracțiune de secundă starea unui computer cuantic în trecut.
De asemenea, ei au calculat probabilitatea deplasării spontane a unui electron în spațiul interstelar gol în trecutul său recent.
Vedeţi şi: IBM lansează primul său calculator cuantic comercial
Studiul a fost publicat în Scientific Reports. Online studiul poate fi văzut pe arXiv.
„Aceasta este una dintr-o serie de lucrări privind posibilitatea de a viola a două lege a termodinamicii.
Această lege este strâns legată de noțiunea săgeții timpului, ce reprezintă direcția unică posibilă a timpului din trecut în viitor”, a declarat autorul studiului Gordey Lesovik (en), ce conduce Laboratorul de Fizică a Tehnologiei Informației Cuantice de la MIPT.
„Noi am început prin a descrie (en) aşa numita mașină de mișcare perpetuă locală de al doilea tip.
Apoi, în decembrie, am publicat o lucrare ce pune în discuție încălcarea celei de a doua legi cu ajutorul unui dispozitiv numit demonul Maxwell„, a spus Lesovik (en).
„Cea mai recentă lucrare abordează aceeași problemă dintr-un la treilea unghi: Noi artificial am creat o stare care evoluează într-o direcție opusă celei a săgeții termodinamice a timpului”.
Vedeţi şi: Fizicienii au realizat teleportarea cuantică sub apă pentru prima dată
Ce face viitorul diferit de trecut
Majoritatea legilor fizicii nu fac diferența între viitor şi trecut.
De exemplu, să admitem o ecuație ce descrie ciocnirea şi ricoșeul a două bile de biliard identice.
Dacă să privim din apropiere acest eveniment înregistrat cu o cameră video şi redat în sens invers, aceasta poate fi încă reprezentat prin aceeași ecuație.
Mai mult ca atât, nu este posibil de a distinge din această înregistrare faptul dacă ea a fost editată.
Ambele versiuni arată a fi acceptabile. S-ar părea că, bilele de biliard nu se supun simțului intuitiv al timpului.
Vedeţi şi: Cum corpul vostru simte timpul şi care pot fi urmările perturbării ritmului circadian
Cu toate acestea, imaginați-vă acum o bilă albă ce sparge piramida şi împrăștie bilele de biliard în toate direcțiile.
În acest caz, este ușor să distingem scenariul din viaţa reală de redarea inversă.
Ceea ce face ca acest lucru să pară atât de absurd, este înţelegerea noastră intuitivă a celei de-a doua legi a termodinamicii — un sistem izolat, fie rămâne static, fie evoluează mai degrabă într-o stare de haos decât în una de ordine.
Majoritatea legilor fizicii, nu împedică rularea bilelor de biliard înapoi la asamblarea lor într-o piramidă, a ceaiul infuzat care curge înapoi în punga de ceai sau „eruperea” unui vulcan în sens invers.
Dar aceste fenomene nu sunt observate, deoarece necesită un sistem izolat pentru a-şi asuma o stare mai ordonată, fără vreo intervenție din exterior, ceea ce contravine celei de-a doua legi.
Natura acestei legi nu a fost explicată în detaliu, dar cercetătorii au făcut mari progrese în înţelegerea principiilor de bază care stau în spatele ei.
Inversarea spontană a timpului
Fizicienii cuantici de la MIPT, au decis să verifice dacă timpul s-ar putea inversa în mod spontan, cel puțin într-o particulă individuală, pentru o fracțiune mică de secundă.
Adică, în loc de ciocnirea bilelor de biliard, ei au examinat un electron solitar în spațiul interstelar gol.
„Să presupunem că electronul este localizat când începem să-l observăm.
Aceasta înseamnă că noi suntem destul de siguri de poziția sa în spațiu.
Legile mecanicii cuantice ne împedică să o cunoaștem cu o precizie absolută, dar noi o putem contura o mică regiune în care electronul este localizat”, spune co-autorul studiului Andrey Lebedev (en) de la MIPT şi universitatea ETH Zurich.
Fizicianul explică faptul că evoluția stării electronilor este guvernată de ecuația lui Schrödinger.
Deşi ea nu face nici o distincție între viitor şi trecut, regiunea spațiului care conține electronul se va extinde foarte repede.
Adică, sistemul tinde să devină mai haotic.
Incertitudinea poziției electronilor este în creştere.
Aceasta este analog cu dezordinea tot mai mare într-un sistem de mari dimensiuni — cum ar fi masa de biliard — datorită celei de-a doua legi a termodinamicii.
Fiecare dintre cele trei sisteme evoluează inițial de la ordine spre haos, dar apoi o perturbare externă perfect calculată inversează acest proces. Credit: @tsarcyanide/MIPT
„Cu toate acestea, ecuaţia lui Schrödinger este reversibilă”, adaugă Valerii Vinokur(en), co-autor al lucrării, de la Laboratorul Național Argonne din SUA.
„Din punct de vedere matematic, aceasta înseamnă că, la o anumită transformare, numită conjugată complexă, ecuația va descrie un electron ‘estompat’ (smeared) localizat înapoi într-o regiune mică a spațiului în aceeași perioadă de timp”.
Deşi acest fenomen nu este observat în natură, el poate teoretic avea loc din cauza unei fluctuații aleatorii în radiaţia cosmică de fond ce penetrează universul.
Vedeţi şi: Posibil oamenii de știință au descoperit primele dovezi ale universurilor paralele
Echipa intenționa să calculeze probabilitatea de a observa un electron „estompat” timp de o fracțiune de secundă, localizându-se spontan în trecutul său recent.
S-a dovedit că, chiar şi în cazul urmăririi a 10 miliarde de electroni proaspăt localizați pe parcursul întregii vieți a universului — 13,7 miliarde de ani — evoluția inversă a stării particulei ar avea loc doar o singură dată.
Şi chiar şi în acest caz, electronul va călca în trecut pentru mai puțin de o singură zece miliardime din secundă.
Fenomenele la scară largă care implică bile de biliard şi vulcani, în mod evident, se desfășoară pe perioade mult mai mari şi prezintă un număr uluitor de electroni şi alte particule.
Acest lucru explică faptul de ce noi nu vedem ca bătrânii să crească mai tineri sau o pată de cerneală separându-se de hârtie.
Inversarea timpului la cerere
Apoi, cercetătorii au încercat să inverseze timpul într-un experiment din patru etape.
În loc de electron, ei au urmărit starea unui calculator cuantic din două şi mai târziu din trei elemente de bază numite qubiţi.
- Etapa 1: Fiecare qubit este inițializat în starea de bază, notat ca zero.
- Etapa 2: Degradarea. Ordinea se pierde.
La fel cum electronul este estompat pe o regiune din ce în ce mai mare a spațiului sau, potrivit analogiei noaste, raftul cu bile se prăbușește pe masa de biliard, starea qubiţilor devine un model schimbător tot mai complex de zerouri şi unu.
- Etapa 3: Inversarea timpului.
- Etapat 4: Programul de evoluție din a doua etapă este lansat din nou.
Această configurație foarte ordonată corespunde unui electron localizat într-o regiune mică, sau unui raft de bile de biliard înainte de a fi fărmat.
Acest lucru este realizat prin lansarea pe scurt timp a programului de evoluție pe calculatorul cuantic.
De fapt, o degradare similară va trebui să apară de la sine datorită interacțiunilor cu mediul.
Cu toate acestea programul controlat al evoluției autonome va permite finalizarea ultimei etape a experimentului.
Un program special modifică starea computerului cuantic, în aşa fel încât acesta să evolueze „înapoi”, de la haos la ordine.
Această operație este asemănătoare cu fluctuația aleatorie a microundelor în cazul electronului, dar de această dată ea este indusă în mod deliberat.
O analogie evidentă pentru exemplul cu bilele, ar fi aceea precum cineva ar fi dat o lovitură perfect calculată pe masa de biliard.
Cu condiția că „lovitura” a fost efectuată cu succes, programul nu are ca rezultat mai mult haos, ci mai degrabă returnează starea qubiţilor din trecut, după modul în care va fi localizat electronul estompat, sau aşa precum bilele de biliard vor relua traiectoriile lor în redare inversă, eventual formând un triunghi.
Cercetătorii au descoperit că în 85% din cazuri, cei doi qubiţi ai computerul cuantic au revenit la starea inițială.
Când au fost implicați trei qubiţi, s-au produs mai multe erori, rezultând într-o rată de succes de aproximativ 50%.
Potrivit autorilor, aceste erori se datorează imperfecțiunilor din calculatorul cuantic.
Pe măsură ce vor fi proiectate dispozitive mai sofisticate, rata de eroare, este de așteptat să scadă.
Interesant este faptul că, aceasta ar putea avea aplicații utile.
Algoritmul de inversare a timpului în sine s-ar putea dovedi a fi util pentru a face computerele cuantice mai precise.
„Algoritmul nostru ar putea fi actualizat şi utilizat pentru a testa programele scrise pentru computerele cuantice şi pentru a elimina perturbațiile şi erorile „, a explicat Lebedev (en).
Lasă un răspuns