Времето върви в една посока: напред. Малките момчета стават старци, но не и обратното; чаени чаши се разбиват, но никога не се събират спонтанно. Това жестоко и неизменно свойство на Вселената, наречено „стрела на времето“, по същество е следствие от втория закон на термодинамиката, който диктува, че системите винаги ще имат тенденция да се разстройват с течение на времето. Но наскоро изследователи от САЩ и Русия загънаха тази стрелка малко - поне за субатомните частици.
В новото проучване, публикувано във вторник (12 март) в списанието Scientific Reports, изследователите манипулират стрелката на времето, използвайки много малък квантов компютър, направен от две квантови частици, известни като кубити, които извършват изчисления.
В субатомната скала, където странните правила на квантовата механика завиват, физиците описват състоянието на системите чрез математическа конструкция, наречена вълнова функция. Тази функция е израз на всички възможни състояния, в които системата би могла да бъде - дори и в случай на частица, на всички възможни места, в които би могла да бъде - и вероятността системата да бъде в което и да е от тези състояния в даден момент , Като цяло, с течение на времето, вълновите функции се разпространяват; възможното местоположение на частица може да бъде по-далеч, ако изчакате час, отколкото ако изчакате 5 минути.
Да отмените разпространението на вълновата функция е като да опитате да върнете разлято мляко обратно в бутилката. Но точно това постигнаха изследователите в този нов експеримент.
„По принцип няма шанс това да се случи самостоятелно“, заяви пред Live Science водещият изследовател Валерий Винокур, физик от Националната лаборатория на Аргон в Илинойс. "Подобно е на тази поговорка, където ако дадете на маймуна пишеща машина и много време, той може да напише Шекспир." С други думи, това е технически възможно, но толкова малко вероятно може да бъде и невъзможно.
Как учените направиха по същество невъзможното да се случи? Като внимателно контролирате експеримента.
"Наистина се нуждаете от много контрол, за да накарате всички счупени парчета от чаена чаша да се върнат заедно", казва Стивън Бартлет, професор по физика в университета в Сидни, пред Live Science. Бартлет не е участвал в проучването. "Трябва да имате много контрол над системата, за да го накарате да направи това ... и квантовият компютър е нещо, което ни позволява да имаме огромен контрол върху симулирана квантова система."
Изследователите използвали квантов компютър, за да симулират една частица, вълновата му функция се разпространява във времето като пулсация в езерце. Тогава те написаха алгоритъм в квантовия компютър, който обърна еволюцията във времето на всеки един компонент от вълновата функция, по същество издърпайки тази пулсация обратно в частицата, която я е създала. Те извършиха този подвиг, без да увеличат ентропията или разстройството на други места във Вселената, привидно опровергавайки стрелката на времето.
Това означава ли, че изследователите са направили машина на времето? Нарушили ли са законите на физиката? Отговорът е не на двата въпроса. Вторият закон на термодинамиката казва, че редът на Вселената трябва да намалява с течение на времето, но не и че никога не може да остане същият в много специални случаи. И този експеримент беше достатъчно малък, достатъчно къс и достатъчно контролиран, че Вселената нито спечели, нито загуби енергия.
"Много е сложно и сложно да изпращаме вълни на езерце обратно", след като са били създадени, каза Винокур, "но видяхме, че това е възможно в квантовия свят, в много прост случай." С други думи, беше възможно, когато те използваха контрола, даден им от квантовия компютър, за да отменят ефекта на времето.
След стартиране на програмата системата се върна в първоначалното си състояние 85 процента от времето. Когато обаче беше въведен трети кубит, експериментът успя само 50 процента от времето. Според изследователите сложността на системата вероятно се е увеличила твърде много с третия кубит, което затруднява квантовия компютър да поддържа контрол над всички аспекти на системата. Без този контрол ентропията не може да бъде контролирана и поради това обратното време е несъвършено. Все пак те се стремят към по-големи системи и по-големи квантови компютри за следващите си стъпки, заяви Винокур пред Live Science.
"Работата е хубав принос за основите на физиката", заяви Джеймс Уитфийлд, професор по физика в колежа в Дартмут в Ню Хемпшир, който не е участвал в изследването, заяви пред Live Science. „Напомня ни, че не всички приложения на квантовите изчисления трябва да са ориентирани към приложения, 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 срещат в реалния свят."
