Ο χρόνος πηγαίνει προς μία κατεύθυνση: προς τα εμπρός. Τα μικρά αγόρια γίνονται γέροι αλλά όχι το αντίστροφο. Τα φλυτζάνια τσακίζουν αλλά δεν ξυπνούν αυθόρμητα. Αυτή η σκληρή και αμετάβλητη ιδιότητα του σύμπαντος, που ονομάζεται "βέλος του χρόνου", είναι βασικά μια συνέπεια του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, που υπαγορεύει ότι τα συστήματα πάντα θα τείνουν να γίνουν πιο διαταραγμένα με την πάροδο του χρόνου. Αλλά πρόσφατα, οι ερευνητές από τις Η.Π.Α. και τη Ρωσία έχουν κάμψει αυτό το βέλος μόνο λίγο - τουλάχιστον για υποατομικά σωματίδια.
Στη νέα μελέτη, που δημοσιεύθηκε την Τρίτη (12 Μαρτίου) στο περιοδικό Scientific Reports, οι ερευνητές χειραγωγούσαν το βέλος του χρόνου χρησιμοποιώντας έναν πολύ μικρό κβαντικό υπολογιστή, κατασκευασμένο από δύο κβαντικά σωματίδια, γνωστά ως qubits, που πραγματοποίησαν υπολογισμούς.
Στην υποατομική κλίμακα, όπου οι περίεργοι κανόνες της κβαντικής μηχανικής κυριαρχούν, οι φυσικοί περιγράφουν την κατάσταση των συστημάτων μέσα από ένα μαθηματικό κατασκεύασμα που ονομάζεται λειτουργία κύματος. Αυτή η συνάρτηση είναι μια έκφραση όλων των πιθανών καταστάσεων που θα μπορούσε να είναι το σύστημα - ακόμα και στην περίπτωση ενός σωματιδίου όλες τις πιθανές θέσεις στις οποίες θα μπορούσε να βρίσκεται - και η πιθανότητα του συστήματος να βρίσκεται σε οποιαδήποτε από αυτές τις καταστάσεις ανά πάσα στιγμή . Γενικά, καθώς ο χρόνος περνάει, οι λειτουργίες κυμάτων κατανέμονται. η πιθανή θέση ενός σωματιδίου μπορεί να είναι πιο μακριά αν περιμένετε μια ώρα από ότι αν περιμένετε 5 λεπτά.
Η αναίρεση της εξάπλωσης της λειτουργίας κύματος είναι σαν να προσπαθείς να βάλεις το χυμένο γάλα πίσω στο μπουκάλι. Αλλά αυτό ακριβώς πέτυχαν οι ερευνητές σε αυτό το νέο πείραμα.
"Δεν υπάρχει ουσιαστικά καμία πιθανότητα να συμβεί αυτό από μόνη της", δήλωσε ο Live ερευνητής Valerii Vinokur, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Argonne στο Illinois. "Είναι σαν αυτό το ρητό, πού, αν δώσετε ένα μαϊμού μια γραφομηχανή και πολύ χρόνο, μπορεί να γράψει τον Σαίξπηρ." Με άλλα λόγια, είναι τεχνικά εφικτό, αλλά είναι τόσο απίθανο ότι μπορεί επίσης να είναι αδύνατο.
Πώς οι επιστήμονες κάνουν το ουσιαστικά αδύνατο να συμβεί; Ελέγχοντας προσεκτικά το πείραμα.
"Χρειάζεστε πραγματικά πολύ έλεγχο για να επιστρέψετε όλα τα σπασμένα κομμάτια ενός φλυτζανιού", δήλωσε ο Stephen Bartlett, καθηγητής φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σίδνεϊ, στο Live Science. Ο Bartlett δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Πρέπει να έχετε πολύ έλεγχο στο σύστημα για να το κάνετε αυτό ... και ένας κβαντικός υπολογιστής είναι κάτι που μας επιτρέπει να έχουμε τεράστιο έλεγχο πάνω σε ένα προσομοιωμένο κβαντικό σύστημα".
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν κβαντικό υπολογιστή για να προσομοιώσουν ένα μοναδικό σωματίδιο, με τη λειτουργία του κύματος να εξαπλώνεται με την πάροδο του χρόνου σαν μια κυμάτωση σε μια λίμνη. Έπειτα, έγραψαν έναν αλγόριθμο στον κβαντικό υπολογιστή ο οποίος ανέτρεψε την εξέλιξη του χρόνου για κάθε ένα από τα συστατικά της κυματοειδούς συνάρτησης, βασικά τράβηξε εκείνη την κυμάτωση πίσω στο σωματίδιο που το δημιούργησε. Εξέτασαν αυτό το κατόρθωμα χωρίς να αυξάνουν την εντροπία ή τη διαταραχή σε άλλα μέρη του σύμπαντος, φαινομενικά αψηφώντας το βέλος του χρόνου.
Αυτό σημαίνει ότι οι ερευνητές έκαναν μια μηχανή χρόνου; Παραβίασαν τους νόμους της φυσικής; Η απάντηση δεν είναι και στις δύο αυτές ερωτήσεις. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής λέει ότι η τάξη του σύμπαντος πρέπει να μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, αλλά όχι ότι δεν μπορεί να παραμείνει η ίδια σε πολύ ειδικές περιπτώσεις. Και αυτό το πείραμα ήταν αρκετά μικρό, αρκετά μικρό και αρκετά ελεγχόμενο ώστε το σύμπαν δεν κέρδισε ούτε έχασε ενέργεια.
"Είναι πολύ περίπλοκο και περίπλοκο να στείλεις κύματα σε μια λίμνη πίσω" μόλις δημιουργηθούν, είπε ο Vinokur, "αλλά είδαμε ότι αυτό ήταν δυνατό στον κβαντικό κόσμο, σε μια πολύ απλή υπόθεση". Με άλλα λόγια, ήταν δυνατό όταν χρησιμοποίησαν τον έλεγχο που τους δόθηκε από τον κβαντικό υπολογιστή για να ανατρέψουν την επίδραση του χρόνου.
Μετά την εκτέλεση του προγράμματος, το σύστημα επέστρεψε στην αρχική του κατάσταση 85 τοις εκατό του χρόνου. Ωστόσο, όταν εισήχθη ένα τρίτο qubit, το πείραμα πέτυχε μόνο το 50% του χρόνου. Οι ερευνητές δήλωσαν ότι η πολυπλοκότητα του συστήματος πιθανότατα αυξήθηκε πάρα πολύ με το τρίτο qubit, καθιστώντας πιο δύσκολο για τον κβαντικό υπολογιστή να διατηρήσει τον έλεγχο όλων των πτυχών του συστήματος. Χωρίς τον έλεγχο αυτό, η εντροπία δεν μπορεί να συγκρατηθεί και επομένως η αντιστροφή χρόνου είναι ατελής. Ακόμα, στοχεύουν σε μεγαλύτερα συστήματα και μεγαλύτερους κβαντικούς υπολογιστές για τα επόμενα βήματα τους, δήλωσε ο Vinokur στο Live Science.
"Το έργο είναι μια ωραία συνεισφορά στα θεμέλια της φυσικής", δήλωσε στο Live Science ο James Whitfield, καθηγητής φυσικής στο Dartmouth College του Νιου Χάμσαϊρ, ο οποίος δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Μας υπενθυμίζει ότι δεν πρέπει όλες οι εφαρμογές της κβαντικής πληροφορικής να είναι προσανατολισμένες στις εφαρμογές για να είναι ενδιαφέρουσες."
"Γι 'αυτό κατασκευάζουμε κβαντικούς υπολογιστές", δήλωσε ο Bartlett. "Αυτή είναι μια απόδειξη ότι οι κβαντικοί υπολογιστές μπορούν να μας επιτρέψουν να προσομοιώσουμε πράγματα που δεν πρέπει να συμβαίνουν στον πραγματικό κόσμο".
