Oops! It appears that you have disabled your Javascript. In order for you to see this page as it is meant to appear, we ask that you please re-enable your Javascript!
Θεωρίες φυσικής

Επιστήμονες ανακοίνωσαν ότι ανέστρεψαν τη ροή του χρόνου σε κβαντικό υπολογιστή

Written by Δ.Μ.

Ερευνητές από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας συνεργάστηκαν με συναδέλφους από τις ΗΠΑ και την Ελβετία και έφεραν την κατάσταση ενός κβαντικού υπολογιστή στο παρελθόν, για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Υπολόγισαν επίσης την πιθανότητα ενός ηλεκτρονίου σε κενό διαστρικό χώρο να ταξιδέψει αυθόρμητα πίσω στο πρόσφατο παρελθόν του. Η μελέτη δημοσιεύεται στο Scientific Reports.

Share

Ερευνητές από το Ινστιτούτο Φυσικής και Τεχνολογίας της Μόσχας συνεργάστηκαν με συναδέλφους από τις ΗΠΑ και την Ελβετία και έφεραν την κατάσταση ενός κβαντικού υπολογιστή στο παρελθόν, για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Υπολόγισαν επίσης την πιθανότητα ενός ηλεκτρονίου σε κενό διαστρικό χώρο να ταξιδέψει αυθόρμητα πίσω στο πρόσφατο παρελθόν του. Η μελέτη δημοσιεύεται στο Scientific Reports.

physicistsre

 

«Είναι ένα από μια σειρά δημοσιεύσεων σχετικά με τη δυνατότητα παραβίασης του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής. Ο νόμος αυτός συνδέεται στενά με την έννοια του βέλους του χρόνου που θέτει την μονόδρομη κατεύθυνση του χρόνου από το παρελθόν στο μέλλον.» δήλωσε ο επικεφαλής της μελέτης Gordey Lesovik, ο οποίος είναι επικεφαλής του Εργαστηρίου Φυσικής της Κβαντικής Πληροφορικής στην MIPT.

«Τον Δεκέμβριο του 2018, δημοσιεύσαμε ένα έγγραφο για την παραβίαση του δεύτερου νόμου μέσω μιας συσκευής που ονομάζεται δαίμονας του Maxwell», δήλωσε ο Lesovik. «Η πιο πρόσφατη δημοσίευση προσεγγίζει το ίδιο πρόβλημα από μια τρίτη γωνία: Δημιουργήσαμε τεχνητά μια κατάσταση που εξελίσσεται προς μια κατεύθυνση αντίθετη προς εκείνη του θερμοδυναμικού βέλους του χρόνου.»

Οι επιστήμονες, όπως ανέφεραν, έδειξαν ότι σε ένα κβαντικό υπολογιστή της ΙΒΜ ήταν δυνατό να αναστραφεί αυθόρμητα η εξέλιξη μιας κβαντικής κατάστασης και να κινηθεί προς το παρελθόν αντί προς το μέλλον. Με ένα ειδικό πρόγραμμα λογισμικού τροποποίησαν την κατάσταση του κβαντικού υπολογιστή, έτσι ώστε αυτή να εξελίσσεται προς τα πίσω, δηλαδή από το χάος προς την τάξη (το αντίθετο του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής).

Όταν η κβαντική κατάσταση ενέπλεκε δύο qubits, τότε το ποσοστό επιτυχίας για την αναστροφή του χρόνου ήταν 85%, ενώ με τρία qubits – λόγω περισσοτέρων σφαλμάτων στον κβαντικό υπολογιστή – έπεφτε στο 50%.

Τι κάνει το μέλλον διαφορετικό από το παρελθόν

Οι περισσότεροι νόμοι της φυσικής δεν κάνουν διάκριση μεταξύ του μέλλοντος και του παρελθόντος. Για παράδειγμα, αφήστε μια εξίσωση να περιγράψει τη σύγκρουση και την ανάκρουση δύο πανομοιότυπων σφαιρών μπιλιάρδου. Εάν ένα κοντινό πλάνο του γεγονότος αυτού καταγραφεί με μία κάμερα και αναπαραχθεί αντίστροφα, μπορεί να αντιπροσωπεύεται από την ίδια εξίσωση. Επιπλέον, δεν είναι δυνατόν να γίνει διάκριση από την καταγραφή εάν έχει υποστεί επεξεργασία ή όχι. Και οι δύο εκδόσεις (θετικός – αρνητικός χρόνος) φαίνεται εύλογες. Φαίνεται ότι οι μπάλες του μπιλιάρδου να αψηφούν την διαισθητική αίσθηση του χρόνου.

Εντούτοις, φανταστείτε την καταγραφή μιας σφαίρας που σπάει πάνω σε μια πυραμίδα, με τις μπάλες μπιλιάρδου να διασκορπίζονται προς όλες τις κατευθύνσεις. Σε αυτή την περίπτωση, είναι εύκολο να διακρίνετε το πραγματικό σενάριο από την αντίστροφη αναπαραγωγή. Αυτό που κάνει το τελευταίο να φαίνεται τόσο παράλογο είναι η διαισθητική κατανόηση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής – ένα απομονωμένο σύστημα είτε παραμένει στατικό είτε εξελίσσεται προς μια κατάσταση χάους παρά τάξης.

Οι περισσότεροι άλλοι νόμοι της φυσικής δεν εμποδίζουν τις μπάλες του μπιλιάρδου από το να συναρμολογηθούν ξανά, το τσάι που χύθηκε να ρέει πίσω στο φλιτζάνι ή ένα ηφαίστειο να «ξεσπά» στην αντίθετη κατεύθυνση. Αλλά αυτά τα φαινόμενα δεν τηρούνται, διότι θα απαιτούσαν ένα απομονωμένο σύστημα να αναλάβει μια πιο διατεταγμένη κατάσταση (περισσότερη τάξη), χωρίς όμως εξωτερική παρέμβαση, η οποία αντιβαίνει στον δεύτερο νόμο. Η φύση αυτού του νόμου δεν έχει εξηγηθεί λεπτομερώς, αλλά οι ερευνητές έχουν σημειώσει μεγάλη πρόοδο στην κατανόηση των βασικών αρχών πίσω από αυτό.

Αυθόρμητη αντιστροφή χρόνου

Οι κβαντικοί φυσικοί του MIPT αποφάσισαν να ελέγξουν αν ο χρόνος θα μπορούσε να αντιστραφεί αυθόρμητα τουλάχιστον για ένα μεμονωμένο σωματίδιο και για ένα μικρό κλάσμα του δευτερολέπτου. Δηλαδή, αντί να συγκρούονται μπάλες μπιλιάρδου, εξέτασαν ένα μοναχικό ηλεκτρόνιο σε κενό διαστρικό χώρο.

«Υποθέστε ότι το ηλεκτρόνιο εντοπίζεται όταν αρχίζουμε να το παρατηρούμε.Αυτό σημαίνει ότι είμαστε αρκετά σίγουροι για τη θέση του στο χώρο. Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής μας εμποδίζουν να το γνωρίζουμε με απόλυτη ακρίβεια, αλλά μπορούμε να περιγράψουμε μια μικρή περιοχή όπου το ηλεκτρόνιο είναι εντοπισμένο «, λέει ο συν-συγγραφέας της μελέτης Andrey Lebedev από το MIPT και το ETH στη Ζυρίχη.

Ο φυσικός αυτός εξηγεί ότι η εξέλιξη της κατάστασης των ηλεκτρονίων διέπεται από την εξίσωση του Schrödinger. Αν και δεν κάνει αυτή διάκριση μεταξύ του μέλλοντος και του παρελθόντος, η περιοχή του χώρου που περιέχει το ηλεκτρόνιο θα εξαπλωθεί πολύ γρήγορα. Δηλαδή, το σύστημα τείνει να γίνει πιο χαοτικό. Η αβεβαιότητα της θέσης των ηλεκτρονίων αυξάνεται. Αυτό είναι ανάλογο με την αυξανόμενη διαταραχή σε ένα σύστημα μεγάλης κλίμακας – όπως ένα τραπέζι μπιλιάρδου – λόγω του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.

1-physicistsre

Τα τέσσερα στάδια του πραγματικού πειράματος σε έναν κβαντικό υπολογιστή αντικατοπτρίζουν τα στάδια του νοητικού πειράματος που αφορούν ένα ηλεκτρόνιο στο διάστημα και τη φανταστική αναλογία με τις μπάλες μπιλιάρδου. Κάθε ένα από τα τρία συστήματα αρχικά εξελίσσεται από την τάξη προς το χάος, αλλά στη συνέχεια μια τέλεια χρονομετρημένη εξωτερική διαταραχή αντιστρέφει αυτή τη διαδικασία.

«Ωστόσο, η εξίσωση του Schrödinger είναι αναστρέψιμη», προσθέτει ο Valerii Vinokur, συν-συγγραφέας της δημοσίευσης, από το Εθνικό Εργαστήριο Argonne των ΗΠΑ «Μαθηματικά σημαίνει ότι υπό ένα ορισμένο μετασχηματισμό που ονομάζεται περίπλοκη σύζευξη, η εξίσωση θα περιγράψει ένα “κηλιδωμένο» ηλεκτρόνιο εντοπισμένο πίσω σε μια μικρή περιοχή του χώρου κατά την ίδια χρονική περίοδο. «Αν και αυτό το φαινόμενο δεν παρατηρείται στη φύση, θα μπορούσε θεωρητικά να συμβεί λόγω μιας τυχαίας διακύμανσης στο κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο που διαπερνά όλο το σύμπαν.

Η ομάδα θέλησε να υπολογίσει την πιθανότητα να παρατηρήσει ένα ηλεκτρόνιο «ξεθωριασμένο» σε ένα κλάσμα του δευτερολέπτου που εντοπίζεται αυθόρμητα στο πρόσφατο παρελθόν του. Αποδείχθηκε ότι ακόμα και καθ ‘όλη τη διάρκεια ζωής του σύμπαντος -13,7 δισεκατομμύρια χρόνια-παρατηρώντας 10 δισεκατομμύρια πρόσφατα εντοπισμένα ηλεκτρόνια κάθε δευτερόλεπτο, η αντίστροφη εξέλιξη της κατάστασης του σωματιδίου θα συνέβαινε μόνο μία φορά. Και ακόμη και τότε, το ηλεκτρόνιο δεν θα ταξίδευε περισσότερο από ένα μόλις δέκα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου στο παρελθόν.

Τα φαινόμενα μεγάλης κλίμακας που περιλαμβάνουν μπάλες μπιλιάρδου και ηφαίστεια προφανώς ξεδιπλώνονται σε πολύ μεγαλύτερα χρονοδιαγράμματα και διαθέτουν εκπληκτικό αριθμό ηλεκτρονίων και άλλων σωματιδίων. Αυτό εξηγεί γιατί δεν παρατηρούμε ότι γέρους να γίνονται νεότεροι ή ένα στίγμα μελάνης να διαχωρίζεται από το χαρτί.

Πηγή

About the author

Δ.Μ.

Share