We markeren allemaal dagen met klokken en kalenders, maar misschien is geen uurwerk directer dan een spiegel. De veranderingen die we door de jaren heen opmerken, illustreren levendig de 'pijl van de tijd' van de wetenschap - de waarschijnlijke voortgang van orde naar wanorde. We kunnen deze pijl net zo min omdraaien als we al onze rimpels kunnen uitwissen of een verbrijzeld theekopje in zijn oorspronkelijke vorm kunnen herstellen.

Of kunnen wij?

Een internationaal team van wetenschappers onder leiding van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft deze vraag onderzocht in een uniek experiment. erin slagen om een ​​computer even terug te brengen naar het verleden. De resultaten, gepubliceerd op 13 maart in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , suggereren nieuwe paden voor het verkennen van de achterwaartse stroom van tijd in kwantumsystemen. Ze openen ook nieuwe mogelijkheden voor het testen van kwantumcomputerprogramma's en foutcorrectie.

Een kwantumcomputer die in staat is om effectief terug te springen en fouten op te ruimen terwijl hij werkt, zou veel efficiënter kunnen werken.

Om de tijdomkering te bereiken, het onderzoeksteam ontwikkelde een algoritme voor IBM's openbare kwantumcomputer die de verstrooiing van een deeltje simuleert. In de klassieke natuurkunde dit kan lijken op een biljartbal die door een keu wordt geraakt, in een lijn reizen. Maar in de kwantumwereld een verstrooid deeltje krijgt een gebroken kwaliteit, verspreidt zich in meerdere richtingen. Zijn kwantumevolutie omkeren is als het omkeren van de ringen die ontstaan ​​wanneer een steen in een vijver wordt gegooid.

In de natuur, het herstellen van dit deeltje in zijn oorspronkelijke staat - in wezen, het gebroken theekopje weer in elkaar zetten - is onmogelijk.

Het grootste probleem is dat je een "supersysteem, " of externe kracht, om de kwantumgolven van het deeltje op elk punt te manipuleren. Maar, de onderzoekers merken op, de tijdlijn die nodig is om dit supersysteem spontaan te laten verschijnen en de kwantumgolven correct te manipuleren, zou langer zijn dan die van het universum zelf.

onverschrokken, het team ging op zoek om te bepalen hoe deze complexiteit kan worden overwonnen, althans in principe. Hun algoritme simuleerde een elektronenverstrooiing door een kwantumsysteem op twee niveaus, "geïmiteerd" door een kwantumcomputer-qubit - de basiseenheid van kwantuminformatie - en de bijbehorende evolutie in de tijd. Het elektron gaat van een gelokaliseerde, of "gezien, " staat, tot een verspreide. Dan gooit het algoritme het proces in omgekeerde richting, en het deeltje keert terug naar zijn oorspronkelijke staat - met andere woorden, het gaat terug in de tijd, al was het maar met een fractie van een seconde.

Aangezien de kwantummechanica wordt bepaald door waarschijnlijkheid in plaats van zekerheid, de kansen om deze tijdreisprestatie te bereiken waren redelijk goed:het algoritme leverde 85 procent van de tijd hetzelfde resultaat op in een kwantumcomputer met twee qubits.

"We deden wat voorheen onmogelijk werd geacht, " zei Argonne senior wetenschapper Valerii Vinokur, die het onderzoek leidde.

Het resultaat verdiept ons begrip van hoe de tweede wet van de thermodynamica - dat een systeem altijd van orde naar entropie zal gaan en niet andersom - werkt in de kwantumwereld. De onderzoekers toonden in eerder werk aan dat, door informatie te teleporteren, een lokale overtreding van de tweede wet was mogelijk in een kwantumsysteem dat was opgedeeld in afgelegen delen die elkaar in evenwicht konden houden.

"De resultaten geven ook een knipoog naar het idee dat onomkeerbaarheid het gevolg is van meting, het benadrukken van de rol die het concept van "meting" speelt in de basis van de kwantumfysica, " zei co-auteur van het artikel Gordey Lesovik van het Moscow Institute of Physics and Technology.

Dit is hetzelfde idee dat de Oostenrijkse natuurkundige Erwin Schrödinger vastlegde met zijn beroemde gedachte-experiment, waarin een kat die in een doos is verzegeld, zowel dood als levend kan blijven totdat zijn status op de een of andere manier wordt gecontroleerd. De onderzoekers zweefden hun deeltje in deze superpositie, of vorm van quantum limbo, door hun metingen te beperken.

"Dit was het essentiële onderdeel van ons algoritme, "Zei Vinokur. "We hebben de toestand van het systeem in het begin en helemaal aan het einde gemeten, maar bemoeide zich niet in het midden."

De bevinding kan uiteindelijk betere methoden voor foutcorrectie op kwantumcomputers mogelijk maken, waar opgehoopte storingen warmte genereren en nieuwe veroorzaken. Een kwantumcomputer die in staat is om effectief terug te springen en fouten op te ruimen terwijl hij werkt, zou veel efficiënter kunnen werken.

"Op dit moment, het is heel moeilijk om je alle implicaties voor te stellen die dit kan hebben, " zei Vinokur. "Ik ben optimistisch, en ik geloof dat het er velen zullen zijn."

De studie roept ook de vraag op, kunnen de onderzoekers nu een manier bedenken om ouderen weer jong te maken? "Kan zijn, " Vinokur grappen, "met de juiste financiering."