W naszym codziennym doświadczeniu czas jest ulicą jednokierunkową. Widzimy, że rozbite jajka pozostają rozbite, a rozlane mleko nigdy nie wraca do szklanki. Zjawisko to wynika z Drugiej zasady termodynamiki, która stwierdza, że entropia – lub nieuporządkowanie – w układzie zawsze rośnie z czasem. Jednak nowe badania teoretyczne sugerują, że na poziomie subatomowym tę „strzałkę czasu” można faktycznie odwrócić.
Koncepcja odwracalności
Badanie opublikowane w czasopiśmie Physical Review X przez fizyka Luisa Pedro Garcíę-Pintosa i jego zespół pokazuje, że w układach kwantowych zdarzenia można „odwrócić” i skierować je w przeciwnym kierunku. Chociaż wyniki te mają na razie charakter teoretyczny, stanowią matematyczny plan działania umożliwiający osiągnięcie takiego wyczynu przy użyciu precyzyjnej kontroli zewnętrznej.
Aby zrozumieć, jak to działa, musimy rozważyć związek między wymiarem a porządkiem:
- Rola pomiaru: W mechanice kwantowej cząstki znajdują się w stanie superpozycji – to znaczy znajdują się w kilku stanach jednocześnie – dopóki nie zostaną zmierzone. Akt pomiaru „zapada” ten stan w jeden konkretny wynik.
- „Demon” w maszynie: W XIX wieku James Clerk Maxwell zaproponował eksperyment myślowy z udziałem „Demona Maxwella”, hipotetycznego stworzenia, które potrafi sortować szybkie i wolne cząsteczki w celu zmniejszenia entropii.
- Kontrola Hamiltona: Naukowcy wykorzystali symulacje komputerowe, aby udawać współczesnego „demona”. Stosując określoną sekwencję pól i impulsów, znaną jako Hamiltonian, udało im się przywrócić wirtualny układ kwantowy do jego pierwotnego stanu, skutecznie eliminując wpływ czasu i wymiarów.
Dlaczego ma to znaczenie dla przyszłości technologii
Możliwość odwrócenia procesów kwantowych to nie tylko ciekawostka filozoficzna; jest to rozwiązanie jednej z najważniejszych „przeszkód” współczesnej fizyki: dekoherencji.
Dekoherencja ma miejsce, gdy układ kwantowy wchodzi w interakcję ze swoim otoczeniem, powodując utratę swoich unikalnych właściwości kwantowych i przejście do normalnego, „klasycznego” stanu. Ta utrata informacji jest głównym powodem, dla którego zbudowanie stabilnych komputerów kwantowych na dużą skalę jest tak trudne.
„Odwrócenie czasu na poziomie kwantowym może powstrzymać utratę informacji, która jest plagą komputerów kwantowych” – mówi Andrea Rocco, fizyk z Uniwersytetu w Surrey. „To natychmiast stanie się niesamowitą zaletą przy tworzeniu podobnych technologii kwantowych”.
Potencjalne zastosowania
Oprócz stabilizacji komputerów kwantowych badanie sugeruje kilka transformacyjnych zastosowań kontroli Hamiltona:
- Korekta błędów kwantowych: Odwrócenie dekoherencji mogłoby pozwolić naukowcom na „cofnięcie” błędów spowodowanych wpływami środowiska, utrzymując w ten sposób stabilność bitów kwantowych (kubitów) przez dłuższe okresy.
- Silniki pomiaru ciągłego: Energia wprowadzona do systemu podczas pomiaru może potencjalnie zostać „odciągnięta” przez hamiltoniana i zmagazynowana, działając jak bateria kwantowa zasilająca inne procesy.
Wniosek
Udowadniając, że w kontrolowanych środowiskach kwantowych można manipulować kierunkiem czasu, badania te otwierają nowe horyzonty w obliczeniach kwantowych. Jeśli te modele teoretyczne uda się z powodzeniem przełożyć na eksperymenty fizyczne, mogą dostarczyć narzędzi niezbędnych do przezwyciężenia kruchości informacji kwantowej.
