Voortbouwend op het baanbrekende 'time reversal'-experiment van vorig jaar, twee onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology en het Argonne National Laboratory hebben een nieuwe theoretische studie gepubliceerd in Communicatiefysica . Terwijl hun vorige paper handelde over een vooraf gedefinieerde kwantumtoestand, deze keer hebben de natuurkundigen een manier bedacht om de evolutie van een object in een willekeurige tijd om te keren, onbekende staat.

Op een dag zou een verbeterd omkeringsschema ons in staat kunnen stellen de correcte werking te bevestigen van een kwantumcomputer die zo krachtig is dat hij anders een nog grotere computer nodig zou hebben om te controleren, doel voorbij schieten.

Chaos regeert na verloop van tijd

Er is een bepaalde natuurlijke manier waarop de toestand van een kwantumchip evolueert als hij aan zijn lot wordt overgelaten:van orde naar chaos. Dit geldt voor andere dingen, ook:met de tijd, ons lichaam wordt ouder, door de mens gemaakte structuren verslechteren, en terwijl een ijsblokje dat op de eettafel ligt steevast smelt, een ander ijsblokje zal zeker niet uit het niets in een glas verschijnen - hoewel dat kan afhangen van wat je hebt gedronken.

Door alledaagse ervaringen verwerven we een besef van tijd op basis van het onderscheid tussen de over het algemeen meer geordende toestanden uit het verleden en de typisch meer chaotische toekomstige toestanden van gesloten systemen - zoals een glas water met een ijsblokje, waar smelten een eenrichtingsproces is. Natuurkundigen noemen dit temporele asymmetrie, of de pijl van de tijd. Het komt voort uit de neiging tot wanorde, formeel uitgedrukt door de tweede wet van de thermodynamica.

"Een van onze doorbraken, " zegt een van de auteurs, Argonne's Valerii Vinokur, "is het besef - dat we in de praktijk brengen - dat een kwantumcomputer een deel van de echte fysieke wereld is, maar een ongekende controle over zijn evolutie in de tijd mogelijk maakt."

Spellboek met algoritmen

Wat vorig jaar door veel journalisten als een 'tijdmachine' werd geprezen, was het experiment van de natuurkundigen dat de tijdspijl voor een kwantumcomputer even omdraaide. Dat is, het experiment vond plaats in de computer, aanvankelijk in een geordende staat, gedurende een korte periode evolueren naar grotere chaos. Daarna, het team gebruikte zijn tijdomkeringsalgoritme om de toestand van de computer zodanig aan te passen dat het begon te traceren wat het eerder had gedaan, effectief evolueert in omgekeerde weergave totdat het de oorspronkelijke geordende staat aannam.

De vangst was dat men de toestand van de computer moest weten op het moment dat het tijdomkeringsalgoritme in werking trad, omdat het niet universeel was. "Zelfs dat voelde als magie, maar de herwerkte procedure is een heel ander soort geest, als je de analogie toestaat, ' merkte Vinokur op. 'Stel dat je het Parthenon in zijn oorspronkelijke pracht wilde herstellen. De oude geest zou gaan, 'We zullen, Ik kan dat doen, maar je moet me wat informatie geven. Ik wil een perfect gedetailleerd plan van de ruïnes zoals ze nu zijn.' Zie je, die geest had geen universele spreuk om de tijd terug te draaien. In plaats daarvan, hij had een geweldig groot spreukenboek, die je samen zou moeten doorbladeren om de juiste te vinden. Heel vervelend kereltje."

Practisch gesproken, het probleem met het moeten weten in welke staat u achteruitrijdt, is de noodzaak om het op te nemen. Dit was niet echt een probleem voor de kleine computer die uit twee of drie kwantumbits bestaat, die in het onderzoek van vorig jaar werd gebruikt. Maar het opschalen van het experiment verhoogt de geheugenvereisten heel snel:elke extra qubit verdubbelt de benodigde hoeveelheid geheugen.

Dit behandelen, kwamen de onderzoekers met een universeel algoritme, dus nu hebben ze een beest van een geest om rond te bestellen die flexibel genoeg is om zich aan elk scenario aan te passen. Het maakt niet uit op welke specifieke manier een kwantumsysteem is verslechterd, hij kan zijn goocheltruc doen en het terugspoelen naar zijn 'ordelijke' verleden. toegegeven, hij zal tonnen en tonnen marmer vragen en het verschroeien met het vuur van de hel, maar het is nooit eenvoudig met geesten. Misschien is dit een afreet.

Goochelaars rekwisieten

Hier is een gedachte-experiment om u door het proces te leiden. Stel je voor dat je een stel watermoleculen nam en ze gebruikte om een ​​zeer uniek uitziende sneeuwvlok te maken in een perfect luchtdichte doos. Alleen jij kent de vorm van de sneeuwvlok. Je laat de doos enige tijd op kamertemperatuur staan, en dit verpest de sneeuwvlok erin. Met het nieuwe tijdomkeringsalgoritme - en enkele fraaie thermische manipulaties - beweren de onderzoekers dat ze je sneeuwvlok in zijn oorspronkelijke vorm kunnen herstellen. Hier is hoe.

Zoals goocheltrucs gaan, de natuurkundigen beginnen de zaken een beetje ingewikkelder te maken met rekwisieten:ze hebben een identieke doos nodig met hetzelfde aantal watermoleculen erin - denk aan de tonnen marmer. Het water kan in vloeibare of gasvormige toestand zijn, dat is niet van belang. Je hoeft alleen maar te garanderen dat de twee dozen dezelfde spullen in dezelfde hoeveelheid bevatten. Houd nu de vinger aan de pols die volgt.

Zodra een dubbele box - ook wel het hulpsysteem genoemd - beschikbaar is, de procedure omvat vier stappen.

Stap 1: Thermalisatie . Breng de twinbox op zeer hoge temperatuur door hem in contact te brengen met een zeer heet lichaam, een warmtereservoir genoemd.

Stap 2: Scheiding . Koppel het warmtereservoir los.

Stap 3: Manipulatie . Voer een zogenaamde niet-complete kwantum SWAP-bewerking uit tussen de dubbele box en de originele.

Stap 4: Herhaling . Herhaal stap 1 tot en met 3 een goddeloos aantal keren.

Die volgorde veroorzaakt een in de tijd omgekeerde staat van de originele doos met de verwoeste sneeuwvlok, wat betekent dat het onmiddellijk begint terug te gaan naar zijn recente verleden totdat het de oorspronkelijke staat aanneemt, bevriezen terug in precies dezelfde vorm die u van plan was. Voila!

het papier binnen Communicatiefysica geeft een formule voor hoe vaak de bovenstaande cyclus moet worden herhaald om de toestand van een bepaald systeem ten opzichte van de tijd om te keren. Dat is, om het op precies de juiste manier een duwtje in de rug te geven om een ​​achterwaartse evolutie van de huidige toestand naar eerdere toestanden in het verleden te verzekeren. Kortom, het aantal is enorm, en het groeit snel met de complexiteit van het systeem en met hoe ver terug in de tijd het zou moeten gaan.

Pimp mijn qubit

Toegegeven, het Parthenon zal waarschijnlijk moeten wachten, maar het team is optimistisch over een mogelijk experiment dat een eenvoudige computer, bestaande uit een klein aantal kwantumbits, kort zou omkeren in de tijd. Met twee qubits, bijvoorbeeld, het zou minstens 16 cyclusherhalingen vergen, met drie is het 64, enzovoort.

Een dergelijk experiment is mogelijk met de huidige technologie, maar het probleem is dat de algemeen beschikbare machines - zoals de IBM-kwantumcomputer die in het onderzoek van vorig jaar werd gebruikt - geen thermalisatie ondersteunen, dat is de eerste stap in de cyclus. Nu ik er aan denk, verwachten dat gedeelde faciliteiten gespecialiseerde functies van dit soort hebben, is hetzelfde als bij uw lokale autodeeldienst vragen om een ​​springende lowrider. Dus dit keer wacht een omkeringsexperiment op een team dat bereid is een eigen kwantumcomputer te 'pimpen', op maat gemaakt met een groot slecht warmtereservoir.

Hoewel kwantummechanica als zodanig notoir contra-intuïtief is, er is één aspect van het nieuwe tijdomkeringsalgoritme dat zelfs natuurkundigen achter hun oren laat krabben. "In het algemeen, hoe heter een systeem, hoe ongeorganiseerder het wordt. Dus als je erover nadenkt, wat we doen is een instrument gebruiken dat geassocieerd wordt met totale chaos - het warmtereservoir - om orde te scheppen, Andrey Lebedev legde uit. "We stellen het hulpsysteem herhaaldelijk bloot aan een extreem hoge temperatuur met als uiteindelijk doel het koude en geordende verleden van het primaire systeem te observeren. Het is een paradox die we nog moeten begrijpen."

Hoe test je iemand die slimmer is dan jezelf

Universele tijdomkeringsalgoritmen kunnen in de toekomst worden gebruikt om te verifiëren dat een kwantumcomputer correct werkt, en kwantumvoordeel is bereikt. Het ding is, zodra een kwantumcomputer veel krachtiger is dan andere computers, hoe bevestig je dat het niet gevoelig is voor fouten zonder een vergelijkbaar foutbestendig apparaat?

Zodra een machine van 52 qubit een geavanceerd kwantumalgoritme uitvoert, het zal een enorm complexe kwantumtoestand opleveren. De conventionele manier om ervoor te zorgen dat er geen fouten zijn gemaakt, zou een volledige beschrijving van de eindtoestand vereisen. Echter, het zou buiten de macht van de mensheid liggen.

Dat is waar universele tijdomkeringsalgoritmen van pas komen. Als je de berekening in omgekeerde volgorde kunt uitvoeren en je niet bekommert om de eindtoestand die je 'terugspoelt, ' dan is het niet nodig om het te beschrijven. Je zorgt er gewoon voor dat je precies terugkomt waar je begon.

Dus wanneer kwantumcomputers wetenschappelijke ontdekkingen beginnen te doen, tijdomkering zal van pas komen om te bevestigen dat dit geldige conclusies over de wereld zijn in plaats van een kwantumglitch van epische proporties.