I ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca hanno collaborato con colleghi degli Stati Uniti e della Svizzera e hanno restituito lo stato di un computer quantistico a una frazione di secondo nel passato. Hanno anche calcolato la probabilità che un elettrone nello spazio interstellare vuoto ritorni spontaneamente nel suo recente passato. Lo studio è pubblicato su Rapporti scientifici .

"Questo è uno di una serie di articoli sulla possibilità di violare la seconda legge della termodinamica. Quella legge è strettamente correlata alla nozione della freccia del tempo che pone la direzione unidirezionale del tempo dal passato al futuro, " ha detto l'autore principale dello studio Gordey Lesovik, che dirige il Laboratorio di Fisica delle Tecnologie dell'Informazione Quantistica al MIPT.

"Abbiamo iniziato descrivendo una cosiddetta macchina del moto perpetuo locale del secondo tipo. Poi, in dicembre, abbiamo pubblicato un articolo che discute la violazione della seconda legge tramite un dispositivo chiamato demone di Maxwell, " Ha detto Lesovik. "Il documento più recente affronta lo stesso problema da un terzo punto di vista:abbiamo creato artificialmente uno stato che evolve in una direzione opposta a quella della freccia del tempo termodinamica".

Cosa rende il futuro diverso dal passato

La maggior parte delle leggi della fisica non fa distinzione tra futuro e passato. Per esempio, lascia che un'equazione descriva l'urto e il rimbalzo di due palle da biliardo identiche. Se un primo piano di quell'evento viene registrato con una telecamera e riprodotto al contrario, può ancora essere rappresentato dalla stessa equazione. Inoltre, non è possibile distinguere dalla registrazione se è stata falsificata. Entrambe le versioni sembrano plausibili. Sembrerebbe che le palle da biliardo sfidino il senso intuitivo del tempo.

Però, immagina di registrare un pallino che rompe la piramide, le palle da biliardo che si disperdono in tutte le direzioni. In quel caso, è facile distinguere lo scenario della vita reale dalla riproduzione inversa. Ciò che rende quest'ultimo aspetto così assurdo è la nostra comprensione intuitiva della seconda legge della termodinamica:un sistema isolato rimane statico o evolve verso uno stato di caos piuttosto che di ordine.

La maggior parte delle altre leggi della fisica non impedisce che le palle da biliardo rotolanti si uniscano in una piramide, tè infuso dal rifluire nella bustina di tè, o un vulcano da "erruttare" al contrario. Ma questi fenomeni non si osservano, perché richiederebbero un sistema isolato per assumere uno stato più ordinato senza alcun intervento esterno, che è contrario alla seconda legge. La natura di tale legge non è stata spiegata in dettaglio, ma i ricercatori hanno fatto grandi progressi nella comprensione dei principi di base dietro di esso.

Inversione spontanea del tempo

I fisici quantistici del MIPT hanno deciso di verificare se il tempo potesse invertirsi spontaneamente almeno per una singola particella e per una minuscola frazione di secondo. Questo è, invece di scontrarsi con le palle da biliardo, hanno esaminato un elettrone solitario nello spazio interstellare vuoto.

"Supponiamo che l'elettrone sia localizzato quando iniziamo ad osservarlo. Ciò significa che siamo abbastanza sicuri della sua posizione nello spazio. Le leggi della meccanica quantistica ci impediscono di conoscerlo con assoluta precisione, ma possiamo delineare una piccola regione dove è localizzato l'elettrone, ", afferma il coautore dello studio Andrey Lebedev del MIPT e dell'ETH di Zurigo.

Il fisico spiega che l'evoluzione dello stato dell'elettrone è governata dall'equazione di Schrödinger. Anche se non fa distinzione tra futuro e passato, la regione di spazio contenente l'elettrone si espanderà molto rapidamente. Questo è, il sistema tende a diventare più caotico. Cresce l'incertezza sulla posizione dell'elettrone. Questo è analogo al crescente disordine in un sistema su larga scala, come un tavolo da biliardo, dovuto alla seconda legge della termodinamica.

"Però, L'equazione di Schrödinger è reversibile, " aggiunge Valerii Vinokur, un coautore del documento, dal Laboratorio Nazionale Argonne, USA "Matematicamente, significa che sotto una certa trasformazione chiamata coniugazione complessa, l'equazione descriverà un elettrone "spalmato" che si localizza in una piccola regione dello spazio nello stesso periodo di tempo." Sebbene questo fenomeno non sia osservato in natura, potrebbe teoricamente accadere a causa di una fluttuazione casuale nel fondo cosmico a microonde che permea l'universo.

Il team ha deciso di calcolare la probabilità di osservare un elettrone "spalmato" in una frazione di secondo che si localizza spontaneamente nel suo recente passato. Si è scoperto che anche durante l'intera vita dell'universo - 13,7 miliardi di anni - osservando 10 miliardi di elettroni appena localizzati ogni secondo, l'evoluzione inversa dello stato della particella avverrebbe solo una volta. E anche allora, l'elettrone non viaggerebbe più di un semplice decimiliardesimo di secondo nel passato.

Fenomeni su larga scala che coinvolgono palle da biliardo e vulcani ovviamente si svolgono su scale temporali molto più grandi e presentano un numero sorprendente di elettroni e altre particelle. Questo spiega perché non osserviamo gli anziani che diventano più giovani o una macchia d'inchiostro che si separa dalla carta.

Tempo di inversione su richiesta

I ricercatori hanno quindi tentato di invertire il tempo in un esperimento in quattro fasi. Invece di un elettrone, hanno osservato lo stato di un computer quantistico composto da due e successivamente tre elementi di base chiamati qubit superconduttori.

• Fase 1:Ordine. Ogni qubit è inizializzato nello stato fondamentale, indicato come zero. Questa configurazione altamente ordinata corrisponde a un elettrone localizzato in una piccola regione, o una rastrelliera di palle da biliardo prima della pausa.
• Fase 2:Degrado. L'ordine è perso. Proprio come l'elettrone viene spalmato su una regione di spazio sempre più ampia, o il rack è rotto sul tavolo da biliardo, lo stato dei qubit diventa un modello mutevole sempre più complesso di zero e uno. Ciò si ottiene avviando brevemente il programma di evoluzione sul computer quantistico. In realtà, un simile degrado si verificherebbe da solo a causa delle interazioni con l'ambiente. Però, il programma controllato di evoluzione autonoma consentirà l'ultima fase dell'esperimento.
• Fase 3:Inversione del tempo. Un programma speciale modifica lo stato del computer quantistico in modo tale che si evolva "all'indietro, " dal caos verso l'ordine. Questa operazione è simile alla fluttuazione casuale di fondo a microonde nel caso dell'elettrone, ma questa volta, è deliberatamente indotto. Un'analogia ovviamente inverosimile per l'esempio del biliardo sarebbe qualcuno che dà al tavolo un calcio perfettamente calcolato.
• Fase 4:Rigenerazione. Il programma di evoluzione della seconda fase viene rilanciato. A condizione che il "calcio" sia stato consegnato con successo, il programma non provoca più caos ma piuttosto riavvolge lo stato dei qubit indietro nel passato, il modo in cui un elettrone spalmato verrebbe localizzato o le palle da biliardo ripercorrerebbero le loro traiettorie in riproduzione inversa, eventualmente formare un triangolo.

I ricercatori hanno scoperto che nell'85 per cento dei casi, il computer quantistico a due qubit è tornato allo stato iniziale. Quando sono stati coinvolti tre qubit, si sono verificati più errori, con un tasso di successo di circa il 50 percento. Secondo gli autori, questi errori sono dovuti a imperfezioni nel computer quantistico reale. Man mano che vengono progettati dispositivi più sofisticati, il tasso di errore dovrebbe diminuire.

interessante, lo stesso algoritmo di inversione temporale potrebbe rivelarsi utile per rendere i computer quantistici più precisi. "Il nostro algoritmo potrebbe essere aggiornato e utilizzato per testare programmi scritti per computer quantistici ed eliminare rumore ed errori, " ha spiegato Lebedev.