Čas gre v eno smer: naprej. Mali fantje postanejo starci, ne pa obratno; skodelice se razbijejo, vendar se nikoli ne spontano znova sestavijo. Ta kruta in nespremenljiva lastnost vesolja, imenovana "puščica časa", je v bistvu posledica drugega zakona termodinamike, ki narekuje, da se bodo sistemi vedno sčasoma bolj razstrupili. Toda v zadnjem času so raziskovalci iz ZDA in Rusije le streljali puščico - vsaj za subatomske delce.
V novi študiji, objavljeni v torek (12. marca) v reviji Scientific Reports, so raziskovalci manipulirali s puščico časa s pomočjo zelo drobnega kvantnega računalnika iz dveh kvantnih delcev, znanih kot qubits, ki so opravili izračune.
Na subatomskem merilu, kjer veljajo čudna pravila kvantne mehanike, fiziki opisujejo stanje sistemov z matematičnim konstruktom, imenovanim valovno funkcijo. Ta funkcija je izraz vseh možnih stanj, v katerih bi lahko bil sistem - tudi če je delček, vseh možnih lokacij, v katerih se lahko nahaja - in verjetnosti, da bo sistem v katerem koli od teh stanj v določenem času . Na splošno se s časom valovne funkcije širijo; možna lokacija delcev je lahko bolj oddaljena, če čakate eno uro, kot če počakate 5 minut.
Razveljaviti širjenje valovne funkcije je podobno kot poskušati razliti mleko nazaj v steklenico. Toda ravno to so dosegli raziskovalci v tem novem poskusu.
"V bistvu ni možnosti, da bi se to zgodilo samo od sebe," je za Live Science povedal vodilni raziskovalec Valerii Vinokur, fizik iz Argonne National Laboratory v Illinoisu. "To je tako rekoč, da če opici daste pisalni stroj in veliko časa, lahko napiše Shakespeara." Z drugimi besedami, tehnično je to mogoče, vendar je malo verjetno, da je tudi nemogoče.
Kako so znanstveniki naredili v bistvu nemogoče? S skrbnim nadzorom eksperimenta.
"Resnično potrebujete veliko nadzora, da se vsi zlomljeni koščki čajnice ponovno združijo," je za Live Science povedal Stephen Bartlett, profesor fizike na Univerzi v Sydneyju. Bartlett ni bil vključen v raziskavo. "Za to moraš imeti veliko nadzora nad sistemom ... in kvantni računalnik je nekaj, kar nam omogoča ogromno nadzora nad simuliranim kvantnim sistemom."
Raziskovalci so uporabili kvantni računalnik, da so simulirali en delček, njegova valovna funkcija pa se je s časom širila kot valovanje v ribniku. Nato so v kvantni računalnik napisali algoritem, ki je spremenil časovni razvoj vsake posamezne komponente valovne funkcije in v bistvu potegnil to valovanje nazaj v delček, ki ga je ustvaril. Ta podvig so dosegli, ne da bi povečali entropijo ali motnjo drugje v vesolju in navidezno kljubovali puščici časa.
Ali to pomeni, da so raziskovalci naredili časovni stroj? So kršili zakone fizike? Odgovor obeh vprašanj je ne. Drugi zakon termodinamike pravi, da se mora red vesolja sčasoma zmanjševati, ne pa, da v zelo posebnih primerih nikoli ne more ostati isti. In ta eksperiment je bil dovolj majhen, dovolj kratek in dovolj nadzorovan, da vesolje niti ni pridobilo niti izgubilo energije.
"Zelo zapleteno in zapleteno je pošiljanje valov na ribnik nazaj," ko so bili ustvarjeni, je dejal Vinokur, "a videli smo, da je to v kvantnem svetu mogoče, v zelo preprostem primeru." Z drugimi besedami, mogoče je, če so uporabili nadzor, ki mu ga je dal kvantni računalnik, razveljavili učinek časa.
Po zagonu programa se je sistem vrnil v prvotno stanje 85 odstotkov časa. Ko pa je bil predstavljen tretji kbit, je poskus uspel le 50 odstotkov časa. Raziskovalci so povedali, da se je zapletenost sistema verjetno preveč povečala s tretjim kbitom, zato je kvantnemu računalniku oteženo vzdrževanje nadzora nad vsemi vidiki sistema. Brez tega nadzora entropije ni mogoče nadzorovati, zato je prekinitev časa zato nepopolna. Kljub temu pa si prizadevajo za večje sisteme in večje kvantne računalnike za svoje naslednje korake, je Vinokur povedal Live Science.
"Delo lepo prispeva k temeljem fizike," je za Live Science povedal James Whitfield, profesor fizike na Dartmouth Collegeu v New Hampshireu, ki ni bil vključen v študijo. "Spominja nas, da ne smejo biti vse aplikacije kvantnega računanja usmerjene v aplikacije, da bi bile zanimive."
"Prav zato gradimo kvantne računalnike," je dejal Bartlett. "To je dokaz, da nam lahko kvantni računalniki simulirajo stvari, ki se v resničnem svetu ne bi smele pojaviti."
