Basandosi sul rivoluzionario esperimento di "inversione del tempo" dell'anno scorso, due ricercatori dell'Istituto di fisica e tecnologia di Mosca e dell'Argonne National Laboratory hanno pubblicato un nuovo studio teorico in Fisica delle comunicazioni . Mentre il loro articolo precedente si occupava di uno stato quantico predefinito, questa volta i fisici hanno escogitato un modo per invertire nel tempo l'evoluzione di un oggetto in modo arbitrario, stato sconosciuto.

Un giorno uno schema di inversione migliorato potrebbe consentirci di confermare il corretto funzionamento di un computer quantistico così potente che altrimenti richiederebbe un computer ancora più grande di lui per controllare, vanificare lo scopo.

Il caos regna nel tempo

C'è un certo modo naturale in cui lo stato di un chip quantistico evolve se lasciato a se stesso:dall'ordine al caos. Questo è vero per altre cose, anche:Con il tempo, i nostri corpi invecchiano, le strutture artificiali si deteriorano, e mentre un cubetto di ghiaccio lasciato sulla tavola si scioglie invariabilmente, un altro cubetto di ghiaccio non apparirà certamente in un bicchiere all'improvviso, anche se ciò potrebbe dipendere da ciò che si è bevuto.

Attraverso l'esperienza quotidiana acquisiamo un senso del tempo basato sulla distinzione tra gli stati passati generalmente più ordinati e gli stati futuri tipicamente più caotici dei sistemi chiusi, quelli come un bicchiere d'acqua con un cubetto di ghiaccio, dove la fusione è un processo unidirezionale. I fisici si riferiscono a questo come asimmetria temporale, o la freccia del tempo. Deriva dalla tendenza al disordine, formalmente espresso dal secondo principio della termodinamica.

"Una delle nostre scoperte, "dice uno degli autori, Valerii Vinokur di Argonne, "è la realizzazione, che mettiamo in pratica, che un computer quantistico è un pezzo del mondo fisico reale, ma consente un controllo senza precedenti sulla sua evoluzione nel tempo".

Libro degli incantesimi degli algoritmi

Ciò che molti giornalisti hanno salutato come una "macchina del tempo" l'anno scorso è stato l'esperimento dei fisici che ha invertito brevemente la freccia del tempo per un computer quantistico. Questo è, l'esperimento si è svolto al computer, inizialmente in uno stato ordinato, evolvendo verso un maggiore caos per un breve periodo di tempo. Dopo di che, il team ha usato il suo algoritmo di inversione temporale per modificare lo stato del computer in modo tale che iniziasse a risalire a ciò che aveva fatto in precedenza, evolvendosi effettivamente nella riproduzione inversa fino a quando non ha assunto lo stato ordinato originale.

Il problema era che bisognava conoscere lo stato del computer nel momento in cui entrava in funzione l'algoritmo di inversione temporale, perché non era universale. "Anche quello sembrava magico, ma la procedura rielaborata è un tipo completamente diverso di genio, se permetti l'analogia, " Commentò Vinokur. "Diciamo che volevi riportare il Partenone al suo splendore originale. Il vecchio genio sarebbe andato, 'Bene, Posso farlo, ma devi darmi qualche informazione. Voglio un piano perfettamente dettagliato delle rovine come sono adesso». Vedi, quel genio non aveva un incantesimo universale per tornare indietro nel tempo. Anziché, aveva un grande libro di incantesimi, che bisognerebbe sfogliare insieme per trovare quello giusto. Persona molto noiosa."

In pratica, il problema di dover sapere quale stato si sta invertendo è la necessità di registrarlo. Questo non era un vero problema per il piccolo computer composto da due o tre bit quantistici, che è stato utilizzato nello studio dell'anno scorso. Ma l'ampliamento dell'esperimento aumenta i requisiti di memoria molto velocemente:ogni qubit aggiuntivo raddoppia la quantità di memoria necessaria.

Per affrontare questo, i ricercatori hanno escogitato un algoritmo universale, quindi ora hanno una bestia di un genio da ordinare in giro che è abbastanza flessibile da adattarsi a qualsiasi scenario. Non importa in quale modo particolare un sistema quantistico si sia deteriorato, può fare il suo trucco magico e riavvolgerlo nel suo passato "ordinato". certo, chiederà tonnellate e tonnellate di marmo e lo brucerà con i fuochi dell'inferno, ma non è mai semplice con i geni. Forse questo è un afreet.

Oggetti di scena del mago

Ecco un esperimento mentale per guidarti attraverso il processo. Immagina di aver preso un mucchio di molecole d'acqua e di usarle per creare un fiocco di neve dall'aspetto davvero unico in una scatola perfettamente ermetica. Solo tu conosci la forma del fiocco di neve. Lasci la scatola a temperatura ambiente per un po' di tempo, e questo rovina il fiocco di neve in esso. Con il nuovo algoritmo di inversione temporale e alcune fantasiose manipolazioni termiche, i ricercatori affermano di poter ripristinare la forma originale del tuo fiocco di neve. Ecco come.

Mentre i giochi di prestigio vanno, i fisici iniziano complicando un po' le cose con gli oggetti scenici:avranno bisogno di una scatola identica con lo stesso numero di molecole d'acqua al suo interno, ricordate le tonnellate di marmo. L'acqua potrebbe essere allo stato liquido o gassoso, questo non ha importanza. Devi solo garantire che le due scatole contengano la stessa roba nella stessa quantità. Ora tieni d'occhio il gioco di prestigio che segue.

Una volta che una scatola doppia, nota anche come sistema ausiliario, è disponibile, la procedura prevede quattro passaggi.

Passo 1: termalizzazione . Portare il box gemello ad altissima temperatura mettendolo a contatto con un corpo molto caldo, chiamato serbatoio di calore.

Passo 2: Separazione . Scollegare il serbatoio di calore.

Passaggio 3: Manipolazione . Esegui una cosiddetta operazione SWAP quantistica non completa tra la scatola gemella e quella originale.

Passaggio 4: Reiterazione . Ripeti i passaggi da 1 a 3 un numero empio di volte.

Quella sequenza induce uno stato invertito nel tempo della scatola originale con il fiocco di neve rovinato, il che significa che inizierà immediatamente a risalire al suo recente passato fino a quando non assumerà lo stato iniziale, congelando di nuovo esattamente nella stessa forma che volevi. Ecco!

La carta in Fisica delle comunicazioni fornisce una formula per quante volte il ciclo di cui sopra deve essere ripetuto per invertire lo stato di un dato sistema rispetto al tempo. Questo è, spingerlo esattamente nel modo giusto per garantire l'evoluzione a ritroso dallo stato attuale verso stati precedenti nel passato. In breve, il numero è enorme, e cresce rapidamente con la complessità del sistema e con quanto lontano nel tempo dovrebbe andare.

Pimp il mio qubit

Concesso il Partenone probabilmente dovrà aspettare, ma il team è ottimista su un possibile esperimento che potrebbe invertire brevemente il tempo di un semplice computer composto da un piccolo numero di bit quantistici. Con due qubit, Per esempio, ci vorrebbero almeno 16 ripetizioni del ciclo, con tre è 64, e così via.

Tale esperimento è fattibile con la tecnologia odierna, ma il problema è che le macchine disponibili pubblicamente, come il computer quantistico IBM utilizzato nello studio dell'anno scorso, non supportano la termalizzazione, che è il primo passo del ciclo. Vieni a pensarci, aspettarsi che le strutture condivise abbiano caratteristiche specializzate di questo tipo è come chiedere al tuo servizio di car sharing locale un lowrider che salta. Quindi questo esperimento di inversione temporale è in attesa di un team disposto a "rinnovare" un computer quantistico tutto suo, adattandolo su misura con un grande serbatoio di calore difettoso.

Mentre la meccanica quantistica in quanto tale è notoriamente controintuitiva, c'è un aspetto del nuovo algoritmo di inversione temporale che lascia persino i fisici a grattarsi la testa. "Generalmente, più caldo è un sistema, più diventa disorganizzato. Quindi, se ci pensi, quello che stiamo facendo è usare uno strumento associato al caos più totale, il serbatoio di calore, per portare ordine, " Ha spiegato Andrey Lebedev. "Stiamo esponendo ripetutamente il sistema ausiliario a una temperatura estremamente elevata con l'obiettivo finale di osservare il passato freddo e ordinato del sistema primario. È un paradosso che dobbiamo ancora capire".

Come mettere alla prova qualcuno più intelligente di te

Gli algoritmi di inversione temporale universale potrebbero essere utilizzati in futuro per verificare che un computer quantistico funzioni correttamente, e il vantaggio quantico è stato raggiunto. La cosa è, una volta che un computer quantistico è molto più potente di altri computer, come si conferma che non è soggetto a errori senza un dispositivo a prova di errore comparabile?

Una volta che una macchina da 52 qubit esegue un algoritmo quantistico avanzato, produrrà uno stato quantistico enormemente complesso. Il modo convenzionale per assicurarsi che non siano stati commessi errori richiederebbe una descrizione completa dello stato finale. Però, sarebbe al di là dei poteri dell'umanità.

È qui che entrano in gioco gli algoritmi di inversione temporale universale. Se puoi eseguire il calcolo al contrario e non ti interessa lo stato finale, stai "riavvolgendo, ' allora non c'è bisogno di descriverlo. Assicurati solo di tornare esattamente al punto di partenza.

Quindi, quando i computer quantistici iniziano a sfornare scoperte scientifiche, l'inversione del tempo tornerà utile per confermare che quelle sono conclusioni valide sul mondo piuttosto che un problema tecnico quantistico di proporzioni epiche.