Учени „обърнаха“ стрелата на времето с квантов компютър

Времето върви в една посока – само напред. Малките деца стават стари хора, но не и обратното; Чаените чаши се разбиват, но никога не се сглобяват спонтанно. Това жестоко и неизменно свойство на Вселената, наречено „стрела на времето“, е в основата си следствие от втория закон на термодинамиката, който диктува, че системите винаги ще са склонни да се разстройват във времето.

Но напоследък, изследователи от САЩ и Русия са наклонили тази стрела поне малко в обратна посока – за субатомни частици.

В ново изследване, публикувано в списание Scientific Reports, изследователи съобщават, че са манипулирали стрелата на времето с помощта на много малък квантов компютър, съставен от две квантови частици, известни като кубити, които извършвали изчисления.

В субатомната скала, където странните правила на квантовата механика се измерват, физиците описват състоянието на системите чрез математическа конструкция, наречена вълнова функция. Тази функция е израз на всички възможни състояния, в които системата може да бъде – дори в случай на частица, всички възможни места, в които може да бъде – и вероятността системата да бъде във всяко от тези състояния във всеки даден момент.

Като цяло, с течение на времето, вълновите функции се разпространяват и възможното местоположение на частицата може да бъде по-далеч, ако изчакате час, отколкото ако изчакате 5 минути. Отмяната на разпръскването на вълновата функция е като да се опитате да поставите разлялото се мляко обратно в бутилката. Но точно това са успели да направят изследователите с този нов експеримент.

„По принцип няма никакъв шанс това да се случи самостоятелно“, заявява водещият изследовател Валери Винокур, физик от Националната лаборатория в Аргон в Илинойс.

„Това е нещо като поговорката, че ако дадеш на маймуна пишеща машина и безкрайно много време, тя може да пропише като Шекспир. С други думи, това е технически възможно, но е много малко вероятно да стане“.

И все пак, как учените направиха невъзможното да се случи? Чрез внимателен контрол на експеримента.

„Наистина се нуждаете от много контрол, за да съберете всички счупени парчета от чашата заедно“, каза Стивън Бартлет, професор по физика в Университета в Сидни, който не е участвал в проучването. „Трябва да имате много контрол над системата, за да го направите … и квантов компютър е нещото, което ни позволява да имаме огромен контрол върху симулирана квантова система.“

Изследователите са използвали квантов компютър, за да симулират една-единствена частица, а нейната вълнова функция се разпространява във времето като вълна в езерото. След това те написват алгоритъм в квантовия компютър, който обръща еволюцията във времето на всеки отделен компонент на вълновата функция, като по същество издърпва тази вълна обратно в частицата, която я е създала. Те осъществяват този подвиг, без да увеличават ентропията или разстройството на други места във Вселената, сякаш се противопоставят на стрелата на времето.

Означава ли това, че изследователите са направили машина на времето? Нарушили ли са законите на физиката? Отговорът е не и на двата въпроса. Вторият закон на термодинамиката казва, че редът на вселената трябва да намалява с времето, но не и че никога не може да остане същият в много специални случаи. И този експеримент е бил достатъчно малък, достатъчно кратък и достатъчно контролиран, че вселената нито да спечели, нито да загуби енергия.

„Много е сложно да се върнат вълните в езерото, след като вече са създадени“, казва Винокур, „но видяхме, че това е възможно в квантовия свят, в един много прост случай. С други думи, това е станало възможно, като са използвали контрола, даден им от квантовия компютър, за да отменят ефекта на времето.

След като стартира програмата, системата се връща в първоначалното си състояние 85% от времето. Въпреки това, когато е въведен трети кубит, експериментът е успял само в 50 процента от времето.

Изследователите смятат, че сложността на системата вероятно е нараснала твърде много с третия кубит, което затруднява контрола върху всички аспекти на системата. Без този контрол ентропията не може да бъде държана под контрол и следователно обръщането на времето е несъвършено. Все пак, учените ще се стремят към по-големи системи и по-големи квантови компютри за следващите си стъпки, казва Винокур пред изданието Live Science.

„Работата е добър принос към основите на физиката,“ казва Джеймс Уитфийлд, професор по физика в колежа Дартмут в Ню Хемпшир, който не е участвал в проучването. „Това ни напомня, че не всички приложения на квантовите изчисления трябва да бъдат конкретно приложни, за да бъдат интересни.“

„Точно затова изграждаме квантови компютри“, казва Бартлет. „Това е демонстрация, че квантовите компютри могат да ни позволят да симулираме неща, които не трябва да се случват в реалния свят.“