Kijk een film achterstevoren en je raakt waarschijnlijk in de war, maar een kwantumcomputer niet. Dat is de conclusie van onderzoeker Mile Gu van het Center for Quantum Technologies (CQT) van de National University of Singapore en Nanyang Technological University en medewerkers.

In onderzoek gepubliceerd op 18 juli in Fysieke beoordeling X , het internationale team laat zien dat een kwantumcomputer minder in de ban is van de pijl van de tijd dan een klassieke computer. In sommige gevallen, het is alsof de kwantumcomputer helemaal geen onderscheid hoeft te maken tussen oorzaak en gevolg.

Het nieuwe werk is geïnspireerd op een invloedrijke ontdekking die bijna 10 jaar geleden werd gedaan door complexiteitswetenschappers James Crutchfield en John Mahoney van de Universiteit van Californië, Davy. Ze toonden aan dat veel statistische gegevensreeksen een ingebouwde tijdpijl zullen hebben. Een waarnemer die de gegevens van het begin tot het einde ziet spelen, als de frames van een film, kan modelleren wat er daarna komt met slechts een bescheiden hoeveelheid geheugen over wat er eerder gebeurde. Een waarnemer die het systeem in omgekeerde volgorde probeert te modelleren, heeft een veel moeilijkere taak:mogelijk moet hij orden van grootte meer informatie volgen.

Deze ontdekking werd bekend als causale asymmetrie. Het lijkt intuïtief - tenslotte het modelleren van een systeem wanneer de tijd achteruit loopt, is als proberen een oorzaak af te leiden uit een gevolg. We zijn gewend om dat moeilijker te vinden dan het voorspellen van een gevolg van een oorzaak. In het dagelijkse leven, begrijpen wat er gaat gebeuren is gemakkelijker als je weet wat er net is gebeurd, en wat er daarvoor gebeurde.

Echter, onderzoekers zijn altijd geïntrigeerd om asymmetrieën te ontdekken die verband houden met tijdsordening. Dit komt omdat de fundamentele wetten van de natuurkunde ambivalent zijn over of de tijd vooruit of achteruit gaat. "Als de natuurkunde geen richting oplegt aan de tijd, waar komt causale asymmetrie - de geheugenoverhead die nodig is om oorzaak en gevolg om te keren - vandaan?", vraagt ​​Gu.

De eerste studies van causale asymmetrie gebruikten modellen met klassieke fysica om voorspellingen te genereren. Crutchfield en Mahoney werkten samen met Gu en medewerkers Jayne Thompson, Andrew Garner en Vlatko Vedral bij CQT om uit te zoeken of de kwantummechanica de situatie verandert.

Ze ontdekten dat het zo was. Modellen die gebruikmaken van kwantumfysica, het team bewijst, kan de geheugenoverhead volledig verminderen. Een kwantummodel dat gedwongen wordt om het proces in omgekeerde tijd na te bootsen, zal altijd beter presteren dan een klassiek model dat het proces in voorwaartse tijd emuleert.

Het werk heeft een aantal ingrijpende gevolgen. "Het meest opwindende voor ons is de mogelijke verbinding met de pijl van de tijd, " zegt Thompson, eerste auteur van het werk. "Als causale asymmetrie alleen wordt gevonden in klassieke modellen, het suggereert onze perceptie van oorzaak en gevolg, en dus tijd, kan voortkomen uit het afdwingen van een klassieke verklaring van gebeurtenissen in een fundamenteel kwantumwereld, " ze zegt.

Volgende, het team wil begrijpen hoe dit aansluit bij andere ideeën over tijd. "Elke gemeenschap heeft zijn eigen pijl van de tijd, en iedereen wil uitleggen waar ze vandaan komen, "zegt Vedral. Crutchfield en Mahoney noemden causale asymmetrie een voorbeeld van de "pijl met weerhaken" van de tijd.

Het meest iconisch is de thermodynamische pijl. Het komt voort uit het idee dat wanorde, of entropie, zal altijd toenemen - hier en daar een beetje, bij alles wat er gebeurt, totdat het universum eindigt als één groot, hete bende. Hoewel causale asymmetrie niet hetzelfde is als de thermodynamische pijl, ze kunnen met elkaar in verband staan. Klassieke modellen die meer informatie bijhouden, genereren ook meer wanorde. "Dit suggereert dat causale asymmetrie entropische gevolgen kan hebben, ', zegt Thompson.

De resultaten kunnen ook praktische waarde hebben. Het afschaffen van de klassieke overhead voor het omkeren van oorzaak en gevolg kan kwantumsimulatie helpen. "Als een film die omgekeerd wordt afgespeeld, soms moeten we misschien dingen begrijpen die worden gepresenteerd in een volgorde die intrinsiek moeilijk te modelleren is. In dergelijke gevallen, kwantummethoden kunnen veel efficiënter blijken te zijn dan hun klassieke tegenhangers, " zegt Gu.