Φυσικοί αντιστρέφουν το χρόνο χρησιμοποιώντας κβαντικό υπολογιστή

Ερευνητές από το Ινστιτούτου Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας (MIPT) συνεργάστηκαν με συναδέλφους τους από τις ΗΠΑ και την Ελβετία και επέστρεψαν την κατάσταση ενός κβαντικού υπολογιστή ένα κλάσμα του δευτερολέπτου προς το παρελθόν. Επίσης υπολόγισαν την πιθανότητα που θα έχει ένα ηλεκτρόνιο στο άδειο διαστρικό διάστημα να ταξιδέψει αυθόρμητα στο πρόσφατο παρελθόν του. Η μελέτη δημοσιεύθηκε στο Scientific Reports.

Σύμφωνα με τη δήλωση του επικεφαλής συγγραφέα της μελέτης, Gordey Lesovik, που προΐσταται του Εργαστηρίου της Φυσικής της Τεχνολογίας Κβαντικής Πληροφορίας στο MIPT: «είναι μια από σειρά μελετών πάνω στην πιθανότητα παραβίασης του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ο νόμος αυτός σχετίζεται στενά με την κίνηση του βέλους του χρόνου που διατυπώνει την αρχή της μονόδρομης κατεύθυνσης του χρόνου από το παρελθόν προς το μέλλον».

Η αρχή των δημοσιεύσεων έγινε με την περιγραφή μιας (όπως αποκαλείται) τοπικής μηχανής αέναης κίνησης δεύτερου είδους. Στη συνέχεια, το Δεκέμβριο, δημοσιεύθηκε μελέτη στην οποία συζητείτο η παραβίαση του Δεύτερου Νόμου μέσω μιας συσκευής που αποκαλείται δαίμονας του Maxwell. Η πιο πρόσφατη μελέτη προσεγγίζει το ίδιο πρόβλημα από μια τρίτη γωνία: οι επιστήμονες έχουν τεχνητά δημιουργήσει μια κατάσταση που εξελίσσεται σε μια κατεύθυνση αντίθετη από αυτή του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου.

Τι κάνει το μέλλον διαφορετικό από το παρελθόν

Οι περισσότεροι νόμοι της φυσικής δεν κάνουν διάκριση μεταξύ του μέλλοντος και του παρελθόντος. Για παράδειγμα, στην εξίσωση που περιγράφει τη σύγκρουση και την αναπήδηση δύο όμοιων μπαλών του μπιλιάρδου: αν καταγραφεί μια κοντινή άποψη του γεγονότος αυτού με μια κάμερα και προβληθεί ανάποδα, μπορεί ακόμη να περιγραφεί με την ίδια εξίσωση. Επιπλέον, δεν είναι δυνατό να διακριθεί από την καταγραφή αν έχει «φτιαχτεί». Και οι δυο εκδόσεις φαίνονται ευλογοφανείς. Φαίνεται ότι οι μπάλες του μπιλιάρδου αψηφούν τη διαισθητική αίσθηση του χρόνου.

Ωστόσο, ας φανταστούμε την καταγραφή μιας λευκής μπάλας να διαλύει την πυραμίδα, οι μπάλες του μπιλιάρδου να διασκορπίζονται σε όλες τις κατευθύνσεις. Σε αυτή την περίπτωση, είναι εύκολο να διακριθεί το σενάριο της πραγματικής ζωής από την αντίστροφη αναπαραγωγή του. Αυτό που κάνει τη δεύτερη περίπτωση να φαίνεται τόσο παράλογη είναι η διαισθητική κατανόηση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής – ένα απομονωμένο σύστημα είτε παραμένει στατικό ή εξελίσσεται προς μια κατάσταση χάους μάλλον παρά τάξης.

Οι περισσότεροι άλλοι νόμοι της φυσικής δεν εμποδίζουν τις κυλιόμενες μπάλες του μπιλιάρδου από το να συναρμολογηθούν σε μια πυραμίδα, τσάι που χύνεται από το να ρέει πίσω μέσα στην τσαγιέρα ή ένα ηφαίστειο από το να «εκρήγνυται» αντίστροφα. Όμως τα φαινόμενα αυτά δεν παρατηρούνται, επειδή θα απαιτούσαν ένα απομονωμένο σύστημα για να υποτεθεί μια κατάσταση με περισσότερη τάξη χωρίς καμιά εξωτερική παρέμβαση, πράγμα που πάει αντίθετα στον δεύτερο νόμο. Η φύση του νόμου αυτού δεν έχει εξηγηθεί πλήρως, όμως οι ερευνητές έχουν κάνει μεγάλη πρόοδο στην κατανόηση των βασικών αρχών πίσω από αυτόν.

Αυθόρμητη αντιστροφή χρόνου

Φυσικοί κβαντομηχανικής από το MIPT αποφάσισαν να ελέγξουν αν ο χρόνος θα μπορούσε αυθόρμητα να αντιστραφεί μόνος του τουλάχιστον για ένα μεμονωμένο σωμάτιο και για ένα ελαχιστότατο κλάσμα του δευτερολέπτου. Δηλαδή, αντί των μπαλών του μπιλιάρδου που συγκρούονται, εξέτασαν ένα μοναχικό ηλεκτρόνιο στο άδειο διαστρικό διάστημα. «Υποθέτουμε ότι το ηλεκτρόνιο είναι εντοπισμένο όταν αρχίζουμε να το παρατηρούμε», αναφέρει ο Andrey Lebedev, από το MIPT και το Ελβετικό Ομοσπονδιακό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη [Eidgenössische Technische Hochschule ή ETH] και ένας από τους συγγραφείς της μελέτης. «Αυτό σημαίνει ότι είμαστε αρκετά σίγουροι σχετικά με τη θέση του στο χώρο. Οι νόμοι της κβαντομηχανικής μας εμποδίζουν να το γνωρίζουμε με απόλυτη ακρίβεια, όμως μπορούμε να περιγράψουμε μια μικρή περιοχή όπου το ηλεκτρόνιο είναι εντοπισμένο».

Ο φυσικός εξηγεί ότι η εξέλιξη της κατάστασης του ηλεκτρονίου περιγράφεται από την εξίσωση του Schrödinger. Αν και δεν γίνεται διάκριση μεταξύ μέλλοντος και παρελθόντος, η περιοχή του χώρου που περιέχει το ηλεκτρόνιο θα εξαπλώνεται πολύ γρήγορα. Δηλαδή, το σύστημα τείνει να γίνεται περισσότερο χαοτικό. Η αβεβαιότητα της θέσης του ηλεκτρονίου αυξάνεται. Αυτό είναι ανάλογο με την αύξηση της αταξίας σε ένα μεγάλης κλίμακας σύστημα – όπως ένα τραπέζι μπιλιάρδου – λόγω του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

Ένα τρίτο μέλος της συγγραφικής ομάδας, ο Valerii Vinokur, από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne των ΗΠΑ, προσθέτει: «Ωστόσο, η εξίσωση του Schrödinger είναι αντιστρεπτή. Μαθηματικά, αυτό σημαίνει ότι κάτω από ορισμένο μετασχηματισμό (σύνθετη σύζευξη) η εξίσωση θα περιγράφει ένα “απλωμένο” ηλεκτρόνιο να εντοπίζεται πίσω σε μια μικρή περιοχή του χώρου κατά τη διάρκεια της ίδιας χρονικής περιόδου». Αν και το φαινόμενο αυτό δεν παρατηρείται στη φύση, θα μπορούσε θεωρητικώς να συμβεί εξαιτίας μιας τυχαίας διακύμανσης στην κοσμική μικροκυματική ακτινοβολία υποβάθρου που διαχέεται στο σύμπαν.

Η ομάδα των επιστημόνων ξεκίνησε με σκοπό να υπολογίσει την πιθανότητα να παρατηρήσει ένα “εξαπλωμένο” ηλεκτρόνιο, κατά τη διάρκεια ενός κλάσματος του δευτερολέπτου, αυθόρμητα εντοπισμένο στο πρόσφατο παρελθόν του. Αποδείχθηκε ότι ακόμη και αν κάποιος περνούσε όλο το χρόνο ζωής του σύμπαντος – 13,7 δισεκατομμύρια χρόνια – παρατηρώντας 10 δισεκατομμύρια νεο-εντοπισμένα ηλεκτρόνια κάθε δευτερόλεπτο, η αντίστροφη εξέλιξη της κατάστασης του σωματίου θα συνέβαινε μόνο μια φορά. Και ακόμη τότε, το ηλεκτρόνιο δεν θα ταξίδευε περισσότερο από μόλις ένα δεκάκις δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου στο παρελθόν.

Τα μεγάλης κλίμακας φαινόμενα που περιλαμβάνουν τις μπάλες του μπιλιάρδου, τα ηφαίστεια, κλπ. προφανώς εκτυλίσσονται σε πολύ μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες και διαθέτουν έναν απίστευτο αριθμό ηλεκτρονίων και άλλων σωματίων. Αυτό εξηγεί γιατί δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε μεγάλης ηλικίας ανθρώπους να γίνονται νεότεροι ή μια κηλίδα μελάνης να διαχωρίζεται από το χαρτί.

Αντιστρέφοντας το χρόνο κατά παραγγελία

Οι ερευνητές στη συνέχεια προσπάθησαν να αντιστρέψουν το χρόνο σε ένα πείραμα τεσσάρων σταδίων. Αντί για ένα ηλεκτρόνιο, παρατήρησαν την κατάσταση ενός κβαντικού υπολογιστή κατασκευασμένου από δυο και αργότερα τρία βασικά στοιχεία αποκαλούμενα υπεραγώγιμα qubits.

Στάδιο 1: Τάξη. Κάθε qubit είναι στην αρχή στη θεμελιώδη κατάσταση, που σημειώνεται ως μηδέν. Αυτή η υψηλά διευθετημένη διαμόρφωση ανταποκρίνεται σε ένα ηλεκτρόνιο που εντοπίζεται σε μια μικρή περιοχή ή μια τοποθέτηση (το τρίγωνο) για τις μπάλες του μπιλιάρδου (στήσιμο) πριν από το σπάσιμο.

Στάδιο 2: Αποδόμηση. Η τάξη χάνεται. Όπως ακριβώς το ηλεκτρόνιο είναι εξαπλωμένο πάνω σε μια ολοένα και περισσότερο μεγαλύτερη περιοχή του χώρου ή η δομή των σφαιρών σπάζει στο τραπέζι του μπιλιάρδου, η κατάσταση των qubits γίνεται ένα ακόμα περισσότερο σύνθετο μεταβαλλόμενο μοτίβο των 0 και 1. Αυτό επιτυγχάνεται με τη για λίγο εκκίνηση του προγράμματος εξέλιξης του κβαντικού υπολογιστή. Στην πραγματικότητα, μια παρόμοια αποδόμηση θα συνέβαινε από μόνη της λόγω των αλληλεπιδράσεων με το περιβάλλον. Ωστόσο, το ελεγχόμενο πρόγραμμα της αυτόνομης εξέλιξης θα επιτρέψει το τελευταίο στάδιο του πειράματος.

Στάδιο 3: Αντιστροφή χρόνου. Ένα ειδικό πρόγραμμα τροποποιεί την κατάσταση του κβαντικού υπολογιστή με τέτοιο τρόπο που μετά θα εξελίσσεται «προς τα πίσω» από το χάος προς την τάξη. Η λειτουργία αυτή είναι παρόμοια με την τυχαία διακύμανση του μικροκυματικού υποβάθρου στην περίπτωση του ηλεκτρονίου, όμως αυτή τη φορά γίνεται σκόπιμα. Μια προφανώς παρατραβηγμένη αναλογία για το παράδειγμα των μπιλιάρδων θα ήταν κάποιος να δίνει στο τραπέζι ένα τέλεια υπολογισμένο κτύπημα.

Στάδιο 4: Αναγέννηση. Το πρόγραμμα εξέλιξης από το δεύτερο στάδιο ξεκίνησε και πάλι. Με την προϋπόθεση ότι το «κτύπημα» έχει δοθεί επιτυχώς, το πρόγραμμα δεν οδηγεί σε περισσότερο χάος αλλά μάλλον επιστρέφει την κατάσταση των qubits πίσω στο παρελθόν, τον τρόπο που ένα απλωμένο ηλεκτρόνιο θα εντοπιστεί ή οι μπάλες του μπιλιάρδου θα ακολουθήσουν ξανά τις τροχιές τους στην αντίστροφη αναπαραγωγή, τελικά σχηματίζοντας ένα τρίγωνο.

Οι ερευνητές βρήκαν ότι στο 85% των περιπτώσεων ο κβαντικός υπολογιστής των δυο qubits πράγματι επέστρεψε πίσω στην αρχική κατάσταση. Όταν περιελήφθησαν τρία qubits, συνέβησαν περισσότερα λάθη, με αποτέλεσμα ένα ποσοστό επιτυχίας περίπου 50%. Σύμφωνα με τους συγγραφείς, τα λάθη αυτά είναι λόγω των ατελειών στον τωρινό κβαντικό υπολογιστή. Καθώς θα σχεδιάζονται πιο εξελιγμένες συσκευές, το ποσοστό λάθους αναμένεται να πέφτει.

Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι, ο ίδιος ο αλγόριθμος αντιστροφής χρόνου θα μπορούσε να αποδειχθεί χρήσιμος για να κάνουμε τους κβαντικούς υπολογιστές πιο ακριβείς. «Ο αλγόριθμός μας θα μπορούσε να αναβαθμιστεί και να χρησιμοποιηθεί για να ελέγξει προγράμματα που γράφονται για κβαντικούς υπολογιστές και να εξαλείψει θόρυβο και λάθη», εξήγησε ο Lebedev.

Πηγή: MIPT

Περισσότερα στη δημοσίευση: Arrow of Time and its Reversal on IBM Quantum Computer.