Време иде у једном правцу: напред. Мали дечаци постају старци, али не и обрнуто; чајнице се разбијају, али никада спонтано не састављају. Ово окрутно и непромењиво својство универзума, названо "стрела времена", у основи је последица другог закона термодинамике, који налаже да ће системи увек временом постати неуреднији. Али недавно су истраживачи из Сједињених Држава и Русије ту стрелицу само мало савили - бар за субатомске честице.
У новој студији, објављеној у уторак (12. марта) у часопису Сциентифиц Репортс, истраживачи су манипулисали стрелицом времена користећи врло малени квантни рачунар направљен од две квантне честице, познате као кубитс, које су вршиле прорачуне.
На субатомској скали, где владају необична правила квантне механике, физичари описују стање система помоћу математичког конструкта званог таласна функција. Ова функција је израз свих могућих стања у којима би систем могао да се налази - чак и у случају честице, свих могућих локација у којима би могао да се налази - и вероватноће да ће систем у било којем од тих стања бити у било ком тренутку . Опћенито, како вријеме пролази, валне се функције шире; могућа локација честице може бити удаљенија ако сачекате сат времена него ако чекате 5 минута.
Поништавање ширења таласне функције је попут покушаја да се проливено млеко врати у боцу. Али управо су то истраживачи постигли у овом новом експерименту.
"У основи нема шансе да се то догоди само од себе", рекао је главни истраживач Валерии Винокур, физичар из Националне лабораторије Аргонне у Илиноису, за Ливе Сциенце. "То је таква изрека, где, ако мајмуну дате писаћу машину и пуно времена, он може написати Шекспира." Другим речима, то је технички могуће али толико мало вероватно да може бити и немогуће.
Како су научници учинили суштински немогуће да се догоди? Пажљивом контролом експеримента.
"Стварно вам треба пуно контроле како бисте се сви поломљени комадићи чашице вратили заједно", рекао је Степхен Бартлетт, професор физике на Универзитету у Сиднеиу, уживо науку. Бартлетт није био укључен у студију. "Морате имати велику контролу над системом да бисте то учинили ... а квантни рачунар је нешто што нам омогућава велику количину контроле над симулираним квантним системом."
Истраживачи су користили квантни рачунар да би симулирали једну честицу, а њена таласна функција се временом ширила попут валовања у базену. Затим су у квантни рачунар написали алгоритам који је преокренуо еволуцију времена сваке поједине компоненте таласне функције, у суштини повукао ту талас у честицу која га је створила. Они су извршили овај подвиг без повећања ентропије или нереда негде другде у универзуму, наизглед пркосећи стрели времена.
Да ли то значи да су истраживачи направили времеплов? Да ли су прекршили законе физике? Одговор није на оба ова питања. Други закон термодинамике каже да се редослед свемира с временом мора смањивати, али не и да он никада не може остати исти у врло посебним случајевима. А овај експеримент је био довољно мали, довољно кратак и довољно контролисан да свемир није добио ни изгубио енергију.
"Веома је сложено и компликовано слање таласа на рибњак", након што су створени, рекао је Винокур, "али видели смо да је то могуће у квантном свету, у врло једноставном случају." Другим речима, било је могуће када су користили контролу коју им је дао квантни рачунар да пониште време ефекта.
Након покретања програма, систем се вратио у првобитно стање у 85 посто времена. Међутим, када је уведен трећи кбит, експеримент је успео само 50 процената времена. Истраживачи кажу да је сложеност система вероватно превише порасла са трећим кбитом, што отежава квантном рачунару одржавање контроле над свим аспектима система. Без те контроле ентропија се не може контролирати, па је преокрет времена несавршен. Ипак, они циљају на веће системе и веће квантне рачунаре за наредне кораке, рекао је Винокур за Ливе Сциенце.
"Рад је леп допринос основама физике," изјавио је за Ливе Сциенце Јамес Вхитфиелд, професор физике на Дартмоутх Цоллеге у Нев Хампсхиреу, који није био укључен у студију. "Подсећа нас да не морају све апликације квантног рачунања бити оријентисане на апликације да би биле занимљиве."
"Управо зато градимо квантне рачунаре," рекао је Бартлетт. "Ово је демонстрација да нам квантни рачунари могу омогућити да симулирамо ствари које се у стварном свету не би требале догодити."
