In onze dagelijkse ervaring is tijd eenrichtingsverkeer. We zien dat gebroken eieren gebroken blijven en dat gemorste melk nooit meer in het glas terugkeert. Dit fenomeen wordt aangedreven door de Tweede Wet van de Thermodynamica, die stelt dat entropie (of wanorde) in een systeem in de loop van de tijd altijd toeneemt. Nieuw theoretisch onderzoek suggereert echter dat deze ‘pijl van de tijd’ op subatomair niveau feitelijk omkeerbaar zou kunnen zijn.
Het concept van omkeerbaarheid
Een studie gepubliceerd in Physical Review X door natuurkundige Luis Pedro García-Pintos en zijn team toont aan dat gebeurtenissen in kwantumsystemen kunnen worden ‘omgedraaid’ om achteruit te gaan. Hoewel deze bevindingen momenteel theoretisch zijn, bieden ze een wiskundige routekaart voor hoe een dergelijke prestatie kan worden bereikt door nauwkeurige externe controle.
Om te begrijpen hoe dit werkt, moeten we kijken naar de relatie tussen meting en orde:
- De rol van meten: In de kwantummechanica bevinden deeltjes zich in een staat van superpositie, wat betekent dat ze zich in meerdere toestanden tegelijk bevinden, totdat ze worden gemeten. De handeling van het meten ‘stort’ deze toestand in tot één enkele, definitieve uitkomst.
- De ‘Demon’ in de Machine: In de 19e eeuw stelde James Clerk Maxwell een gedachte-experiment voor met ‘Maxwell’s Demon’, een hypothetische entiteit die snelle en langzame moleculen zou kunnen sorteren om de entropie te verminderen.
- De Hamiltoniaanse controle: De onderzoekers gebruikten computersimulaties om op te treden als een moderne ‘demon’. Door een specifieke reeks velden en pulsen toe te passen – ook wel een ‘Hamiltoniaanse’ genoemd – konden ze een virtueel kwantumsysteem terugbrengen naar de oorspronkelijke staat, waardoor de effecten van tijd en metingen effectief teniet werden gedaan.
Waarom dit belangrijk is voor de toekomst van de technologie
Het vermogen om kwantumprocessen om te keren is niet louter een filosofische curiositeit; het pakt een van de belangrijkste ‘wegversperringen’ in de moderne natuurkunde aan: decoherentie.
Decoherentie treedt op wanneer een kwantumsysteem interageert met zijn omgeving, waardoor het zijn unieke kwantumeigenschappen verliest en in een standaard, ‘klassieke’ toestand terechtkomt. Dit verlies aan informatie is de belangrijkste reden waarom het bouwen van stabiele, grootschalige kwantumcomputers zo moeilijk is.
“Het omkeren van de tijd op kwantumniveau zou het informatieverlies kunnen tegengaan dat kwantumcomputers hindert”, merkt Andrea Rocco op, een natuurkundige aan de Universiteit van Surrey. “Dit zou onmiddellijk een ongelooflijk voordeel zijn in termen van het bouwen van deze kwantumtechnologieën.”
Potentiële toepassingen
Naast het stabiliseren van kwantumcomputers suggereert het onderzoek verschillende transformatieve toepassingen voor Hamiltoniaanse besturingselementen:
- Kwantumfoutcorrectie: Het omkeren van decoherentie zou wetenschappers in staat kunnen stellen de fouten die worden veroorzaakt door omgevingsinterferentie ongedaan te maken, waardoor kwantumbits (qubits) voor langere perioden stabiel blijven.
- Continu-meetmotoren: De energie die tijdens een meting in een systeem wordt geïnjecteerd, kan mogelijk via de Hamiltoniaan worden “teruggetrokken” en worden opgeslagen, waardoor deze als een kwantumbatterij werkt om andere processen van stroom te voorzien.
Conclusie
Door te bewijzen dat de richting van de tijd kan worden gemanipuleerd binnen gecontroleerde kwantumomgevingen, opent dit onderzoek een nieuwe grens voor kwantumcomputers. Als deze theoretische modellen met succes kunnen worden vertaald in fysieke experimenten, kunnen ze de hulpmiddelen bieden die nodig zijn om de kwetsbaarheid van kwantuminformatie te overwinnen.
