Onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology werkten samen met collega's uit de VS en Zwitserland en brachten de staat van een kwantumcomputer een fractie van een seconde terug in het verleden. Ze berekenden ook de kans dat een elektron in de lege interstellaire ruimte spontaan terug zal reizen naar zijn recente verleden. De studie is gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

"Dit is er een in een reeks artikelen over de mogelijkheid om de tweede wet van de thermodynamica te schenden. Die wet hangt nauw samen met het idee van de pijl van de tijd die de eenrichtingsrichting van de tijd van het verleden naar de toekomst aangeeft, " zei de hoofdauteur van de studie, Gordey Lesovik, die aan het hoofd staat van het Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology aan het MIPT.

"We begonnen met het beschrijven van een zogenaamde lokale perpetuum mobile van de tweede soort. in december, we hebben een artikel gepubliceerd waarin de schending van de tweede wet wordt besproken via een apparaat dat een Maxwell-demon wordt genoemd, "Zei Lesovik. "De meest recente paper benadert hetzelfde probleem vanuit een derde invalshoek:we hebben kunstmatig een toestand gecreëerd die evolueert in een richting tegengesteld aan die van de thermodynamische pijl van de tijd."

Wat maakt de toekomst anders dan het verleden?

De meeste natuurkundige wetten maken geen onderscheid tussen de toekomst en het verleden. Bijvoorbeeld, laat een vergelijking de botsing en terugkaatsing van twee identieke biljartballen beschrijven. Als een close-up van die gebeurtenis wordt opgenomen met een camera en omgekeerd wordt afgespeeld, het kan nog steeds worden weergegeven door dezelfde vergelijking. Bovendien, het is niet mogelijk om van de opname te onderscheiden als er gesleuteld is. Beide versies zien er aannemelijk uit. Het lijkt erop dat de biljartballen het intuïtieve gevoel voor tijd tarten.

Echter, stel je voor dat je een speelbal opneemt die de piramide breekt, de biljartballen die alle kanten opvliegen. In dat geval, het is gemakkelijk om het echte scenario te onderscheiden van achteruit afspelen. Wat laatstgenoemde zo absurd maakt, is ons intuïtieve begrip van de tweede wet van de thermodynamica:een geïsoleerd systeem blijft ofwel statisch of evolueert naar een toestand van chaos in plaats van orde.

De meeste andere natuurwetten verhinderen niet dat rollende biljartballen samengroeien tot een piramide, doordrenkte thee terugvloeit in het theezakje, of een vulkaan die omgekeerd "uitbarst". Maar deze verschijnselen worden niet waargenomen, omdat ze een geïsoleerd systeem nodig hebben om een ​​meer geordende staat aan te nemen zonder tussenkomst van buitenaf, wat in strijd is met de tweede wet. De aard van die wet is niet in detail uitgelegd, maar onderzoekers hebben grote vooruitgang geboekt bij het begrijpen van de basisprincipes erachter.

Spontane tijdomkering

Kwantumfysici van MIPT besloten te onderzoeken of de tijd zichzelf spontaan kan omkeren, tenminste voor een individueel deeltje en voor een kleine fractie van een seconde. Dat is, in plaats van botsende biljartballen, ze onderzochten een eenzaam elektron in de lege interstellaire ruimte.

"Stel dat het elektron gelokaliseerd is wanneer we het beginnen te observeren. Dit betekent dat we vrij zeker zijn van zijn positie in de ruimte. De wetten van de kwantummechanica voorkomen dat we het met absolute precisie kennen, maar we kunnen een klein gebied schetsen waar het elektron is gelokaliseerd, ", zegt co-auteur Andrey Lebedev van MIPT en ETH Zürich.

De natuurkundige legt uit dat de evolutie van de elektronentoestand wordt bepaald door de vergelijking van Schrödinger. Hoewel het geen onderscheid maakt tussen de toekomst en het verleden, het gebied van de ruimte dat het elektron bevat, zal zich zeer snel verspreiden. Dat is, het systeem heeft de neiging om chaotischer te worden. De onzekerheid over de positie van het elektron neemt toe. Dit is analoog aan de toenemende wanorde in een grootschalig systeem - zoals een biljarttafel - als gevolg van de tweede wet van de thermodynamica.

"Echter, De vergelijking van Schrödinger is omkeerbaar, " voegt Valerii Vinokur toe, een co-auteur van het artikel, van het Argonne National Laboratory, V.S. "Wiskundig gezien, het betekent dat onder een bepaalde transformatie die complexe conjugatie wordt genoemd, de vergelijking beschrijft een 'uitgesmeerd' elektron dat zich in dezelfde tijdsperiode terug in een klein gebied van de ruimte lokaliseert." Hoewel dit fenomeen in de natuur niet wordt waargenomen, het zou theoretisch kunnen gebeuren als gevolg van een willekeurige fluctuatie in de kosmische microgolfachtergrond die het universum doordringt.

Het team ging op zoek naar de waarschijnlijkheid dat een elektron gedurende een fractie van een seconde "uitgesmeerd" zou worden en zich spontaan in zijn recente verleden zou lokaliseren. Het bleek dat zelfs gedurende de hele levensduur van het universum - 13,7 miljard jaar - elke seconde 10 miljard vers gelokaliseerde elektronen worden waargenomen, de omgekeerde evolutie van de toestand van het deeltje zou maar één keer gebeuren. En zelfs dan, het elektron zou niet meer dan een tien miljardste van een seconde in het verleden reizen.

Grootschalige fenomenen met biljartballen en vulkanen ontvouwen zich duidelijk op veel grotere tijdschalen en bevatten een verbazingwekkend aantal elektronen en andere deeltjes. Dit verklaart waarom we geen oude mensen zien die jonger worden of een inktvlek die loskomt van het papier.

Tijd terugdraaien op aanvraag

De onderzoekers probeerden vervolgens de tijd terug te draaien in een experiment in vier fasen. In plaats van een elektron, ze observeerden de toestand van een kwantumcomputer gemaakt van twee en later drie basiselementen die supergeleidende qubits worden genoemd.

• Fase 1:Bestelling. Elke qubit wordt geïnitialiseerd in de grondtoestand, aangegeven als nul. Deze sterk geordende configuratie komt overeen met een elektron gelokaliseerd in een klein gebied, of een rek met biljartballen voor de pauze.
• Fase 2:Degradatie. De bestelling is verloren. Net zoals het elektron wordt uitgesmeerd over een steeds groter gebied van de ruimte, of het rek is kapot op de pooltafel, de toestand van de qubits wordt een steeds complexer veranderend patroon van nullen en enen. Dit wordt bereikt door het evolutieprogramma kort op de kwantumcomputer te lanceren. Werkelijk, een soortgelijke degradatie zou vanzelf optreden als gevolg van interacties met de omgeving. Echter, het gecontroleerde programma van autonome evolutie zal de laatste fase van het experiment mogelijk maken.
• Fase 3:Tijdomkering. Een speciaal programma wijzigt de toestand van de kwantumcomputer zodanig dat deze dan "achterwaarts, " van chaos naar orde. Deze operatie is verwant aan de willekeurige microgolfachtergrondfluctuatie in het geval van het elektron, maar deze keer, het is opzettelijk geïnduceerd. Een duidelijk vergezochte analogie voor het biljartvoorbeeld zou zijn dat iemand de tafel een perfect berekende trap geeft.
• Fase 4:Regeneratie. Het evolutieprogramma uit de tweede fase wordt opnieuw gelanceerd. Op voorwaarde dat de "kick" met succes is geleverd, het programma leidt niet tot meer chaos, maar spoelt de toestand van de qubits eerder terug naar het verleden, de manier waarop een uitgesmeerd elektron zou worden gelokaliseerd of de biljartballen hun baan zouden volgen in omgekeerde weergave, uiteindelijk een driehoek vormen.

De onderzoekers ontdekten dat in 85 procent van de gevallen, de kwantumcomputer van twee qubits keerde terug naar de oorspronkelijke staat. Toen er drie qubits bij betrokken waren, meer fouten gebeurd, resulterend in een slagingspercentage van ongeveer 50 procent. Volgens de auteurs, deze fouten zijn te wijten aan onvolkomenheden in de eigenlijke kwantumcomputer. Naarmate er meer geavanceerde apparaten worden ontworpen, het foutenpercentage zal naar verwachting dalen.

interessant, het tijdomkeringsalgoritme zelf zou nuttig kunnen zijn om kwantumcomputers nauwkeuriger te maken. "Ons algoritme kan worden bijgewerkt en gebruikt om programma's te testen die zijn geschreven voor kwantumcomputers en om ruis en fouten te elimineren, ' legde Lebedev uit.