Simularea cuantică oferă o scurtă privire asupra posibilităților de inversare a timpului

Marcăm cu toții zilele cu ceasuri și calendare, dar poate că niciun ceas nu este mai imediat decât o oglindă. Schimbările pe care le observăm de-a lungul anilor ilustrează în mod viu „săgeata timpului” științei - probabila progresie de la ordine la dezordine. Nu putem inversa această săgeată decât putem șterge toate ridurile sau restabili o ceașcă de ceai spartă la forma sa originală.

computer

O echipă internațională de oameni de știință condusă de S.U.A. Laboratorul Național Argonne al Departamentului Energiei (DOE) a explorat această întrebare într-un experiment unic de acest fel, reușind să readucă pe scurt un computer în trecut. Rezultatele, publicate pe 13 martie în revista Scientific Reports, sugerează noi căi pentru explorarea fluxului înapoi al timpului în sistemele cuantice. De asemenea, acestea deschid noi posibilități pentru testarea cuantică a programelor de calculator și corectarea erorilor.

Pentru a realiza inversarea timpului, echipa de cercetare a dezvoltat un algoritm pentru computerul cuantic public IBM care simulează împrăștierea unei particule. În fizica clasică, aceasta ar putea apărea ca o bilă de biliard lovită de un tac, călătorind într-o linie. Dar în lumea cuantică, o particulă împrăștiată capătă o calitate fracturată, răspândindu-se în mai multe direcții. Inversarea evoluției sale cuantice este ca inversarea inelelor create atunci când o piatră este aruncată într-un iaz.

În natură, restaurarea acestei particule înapoi la starea sa inițială - în esență, punerea la loc a ceașcii de ceai rupte - este imposibilă.

Principala problemă este că ai avea nevoie de un „supersistem” sau forță externă, pentru a manipula undele cuantice ale particulelor în fiecare punct. Dar, observă cercetătorii, cronologia necesară pentru ca acest suprasistem să apară spontan și să manipuleze corect undele cuantice s-ar extinde mai mult decât cea a universului în sine.

Fără să se descurajeze, echipa și-a propus să stabilească modul în care această complexitate ar putea fi depășită, cel puțin în principiu. Algoritmul lor a simulat o împrăștiere a electronilor printr-un sistem cuantic cu două niveluri, „reprezentat” de un qubit computer cuantic - unitatea de bază a informațiilor cuantice - și evoluția sa în timp. Electronul trece de la o stare localizată, sau „văzută”, la una împrăștiată. Apoi algoritmul aruncă procesul invers, iar particula revine la starea sa inițială - cu alte cuvinte, se mișcă înapoi în timp, chiar dacă cu o mică fracțiune de secundă.

Având în vedere că mecanica cuantică este guvernată mai degrabă de probabilitate decât de certitudine, șansele pentru realizarea acestei fapte de călătorie în timp au fost destul de bune: algoritmul a dat același rezultat 85 la sută din timp într-un computer cuantic cu doi qubit.

"Am făcut ceea ce se considera imposibil înainte", a declarat cercetătorul principal Argonne, Valerii Vinokur, care a condus cercetarea.

Rezultatul ne aprofundează înțelegerea modului în care a doua lege a termodinamicii - că un sistem se va deplasa întotdeauna de la ordine la entropie și nu invers - acționează în lumea cuantică. Cercetătorii au demonstrat în lucrările anterioare că, prin teleportarea informațiilor, o încălcare locală a celei de-a doua legi era posibilă într-un sistem cuantic separat în părți îndepărtate care se puteau echilibra reciproc.

„Rezultatele dau, de asemenea, o încuviințare ideii că ireversibilitatea rezultă din măsurare, subliniind rolul pe care îl joacă conceptul de„ măsurare ”chiar în fundamentul fizicii cuantice”, a spus coautorul articolului Gordey Lesovik de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova.

Aceasta este aceeași noțiune fizicianul austriac Erwin Schrödinger surprins cu celebrul său experiment de gândire, în care o pisică sigilată într-o cutie ar putea rămâne atât moartă, cât și vie, până când statutul său este monitorizat cumva. Cercetătorii și-au suspendat particula în această suprapunere sau formă de limb cuantic, limitându-le măsurătorile.

„Aceasta a fost partea esențială a algoritmului nostru", a spus Vinokur. „Am măsurat starea sistemului chiar la început și la sfârșit, dar nu am intervenit la mijloc."

Descoperirea poate permite în cele din urmă metode mai bune de corectare a erorilor pe computerele cuantice, unde erorile acumulate generează căldură și generează altele noi. Un computer cuantic capabil să sară înapoi în mod eficient și să curețe erorile pe măsură ce funcționează ar putea funcționa mult mai eficient.

"În acest moment, este foarte greu să ne imaginăm toate implicațiile pe care le poate avea acest lucru", a spus Vinokur. "Sunt optimist și cred că vor fi mulți."

De asemenea, studiul ridică întrebarea: pot cercetătorii să găsească acum o modalitate de a-i face pe tineri mai în vârstă? „Poate”, glumește Vinokur, „cu finanțarea adecvată”.

Lucrarea a fost realizată de o echipă internațională care include cercetători de la Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova (Gordey Lesovik, Andrey Lebedev, Mikhail Suslov), ETH Zurich (Andrey Lebedev) și Laboratorul Național Argonne, S.U.A. (Valerii Vinokur, Ivan Sadovskyy).

Finanțarea pentru această cercetare a fost asigurată de Oficiul de Științe și Proiecte de Parteneriat Strategic al DOE (Fundația Națională Elvețiană și Fundația pentru Avansarea Fizicii Teoretice „BASIS”).