Vova Krasen
0 
2526
369
Czas płynie w jednym kierunku: do przodu. Mali chłopcy stają się starcami, ale nie odwrotnie; filiżanki pękają, ale nigdy spontanicznie się nie łączą. Ta okrutna i niezmienna właściwość wszechświata, zwana „strzałą czasu”, jest zasadniczo konsekwencją drugiej zasady termodynamiki, która mówi, że systemy zawsze będą miały tendencję do coraz większego nieuporządkowania w czasie. Ale ostatnio naukowcy z USA i Rosji nieco zgięli tę strzałę - przynajmniej w przypadku cząstek subatomowych.
W nowym badaniu, opublikowanym we wtorek (12 marca) w czasopiśmie Scientific Reports, naukowcy manipulowali strzałką czasu za pomocą bardzo małego komputera kwantowego zbudowanego z dwóch cząstek kwantowych, zwanych kubitami, który przeprowadzał obliczenia. [Twisted Physics: 7 oszałamiających wniosków]
W skali subatomowej, gdzie rządzą dziwne reguły mechaniki kwantowej, fizycy opisują stan układów za pomocą konstrukcji matematycznej zwanej funkcją falową. Ta funkcja jest wyrazem wszystkich możliwych stanów, w jakich może znajdować się system - nawet w przypadku cząstki, wszystkich możliwych lokalizacji, w których mógłby się on znajdować - oraz prawdopodobieństwa, że system znajduje się w którymkolwiek z tych stanów w danym momencie . Ogólnie, w miarę upływu czasu, funkcje falowe rozszerzają się; możliwa lokalizacja cząstki może być dalej, jeśli poczekasz godzinę, niż jeśli poczekasz 5 minut.
Cofanie rozprzestrzeniania się funkcji falowej jest jak próba włożenia rozlanego mleka z powrotem do butelki. Ale właśnie tego dokonali naukowcy w tym nowym eksperymencie.
„W zasadzie nie ma szans, żeby to się stało samoistnie” - powiedział główny badacz Valerii Vinokur, fizyk z Argonne National Laboratory w Illinois. "To tak, jak to powiedzenie, że jeśli dasz małpie maszynę do pisania i dużo czasu, może napisać Szekspira." Innymi słowy, jest to technicznie możliwe, ale tak mało prawdopodobne, że równie dobrze może być niemożliwe.
Jak naukowcy sprawili, że stało się to, co w zasadzie niemożliwe? Uważnie kontrolując eksperyment.
„Naprawdę potrzebujesz dużej kontroli, aby połączyć wszystkie połamane kawałki filiżanki” - powiedział Stephen Bartlett, profesor fizyki na Uniwersytecie w Sydney. Bartlett nie brał udziału w badaniu. „Musisz mieć dużą kontrolę nad systemem, aby to zrobić… a komputer kwantowy to coś, co pozwala nam mieć ogromną kontrolę nad symulowanym systemem kwantowym”.
Naukowcy wykorzystali komputer kwantowy do symulacji pojedynczej cząstki, której funkcja falowa rozchodziła się w czasie jak falowanie w stawie. Następnie napisali algorytm w komputerze kwantowym, który odwrócił ewolucję w czasie każdego komponentu funkcji falowej, zasadniczo przyciągając tę falę z powrotem do cząstki, która ją stworzyła. Dokonali tego wyczynu bez zwiększania entropii lub nieporządku w innym miejscu we wszechświecie, pozornie przeciwstawiając się strzale czasu.
Czy to oznacza, że naukowcy stworzyli maszynę czasu? Czy naruszyli prawa fizyki? Na oba te pytania odpowiedź brzmi nie. Druga zasada termodynamiki mówi, że porządek wszechświata musi się zmniejszać w czasie, ale nie oznacza to, że nigdy nie może pozostać taki sam w bardzo szczególnych przypadkach. A ten eksperyment był wystarczająco mały, wystarczająco krótki i wystarczająco kontrolowany, aby wszechświat nie zyskiwał ani nie tracił energii.
„Wysyłanie fal z powrotem do stawu jest bardzo złożone i skomplikowane”, powiedział Vinokur, „ale widzieliśmy, że jest to możliwe w świecie kwantowym w bardzo prostym przypadku”. Innymi słowy, było to możliwe, kiedy wykorzystali kontrolę nadaną im przez komputer kwantowy, aby cofnąć efekt czasu.
Po uruchomieniu programu system wracał do swojego pierwotnego stanu w 85 procentach czasu. Jednak gdy wprowadzono trzeci kubit, eksperyment powiódł się tylko w 50% przypadków. Naukowcy stwierdzili, że złożoność systemu prawdopodobnie wzrosła zbytnio wraz z trzecim kubitem, co utrudnia komputerowi kwantowemu utrzymanie kontroli nad wszystkimi aspektami systemu. Bez tej kontroli entropii nie można powstrzymać, a zatem odwrócenie czasu jest niedoskonałe. Mimo to dążą do większych systemów i większych komputerów kwantowych, aby wykonać następne kroki, powiedział Vinokur .
„Ta praca jest dobrym wkładem w podstawy fizyki” - powiedział James Whitfield, profesor fizyki w Dartmouth College w New Hampshire, który nie brał udziału w badaniach. „Przypomina nam, że nie wszystkie zastosowania obliczeń kwantowych muszą być zorientowane na aplikacje, aby były interesujące”.
„Właśnie dlatego budujemy komputery kwantowe” - powiedział Bartlett. „To jest demonstracja, że komputery kwantowe pozwalają nam symulować rzeczy, które nie powinny mieć miejsca w prawdziwym świecie”.
- Największe nierozwiązane tajemnice fizyki
- 18 razy cząstki kwantowe rozwiały nasze umysły
- Co to jest? Odpowiedzi na pytania dotyczące fizyki
Pierwotnie opublikowano w dniu .