Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou se juntaram a colegas dos EUA e da Suíça e devolveram o estado de um computador quântico uma fração de segundo ao passado. Eles também calcularam a probabilidade de um elétron no espaço interestelar vazio viajar espontaneamente de volta ao seu passado recente. O estudo é publicado em relatórios científicos .
"Este é um de uma série de artigos sobre a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica . Essa lei está intimamente relacionada com a noção da flecha do tempo que postula a direção unidirecional do tempo do passado para o futuro". disse o principal autor do estudo, Gordey Lesovik, que dirige o Laboratório de Física de Tecnologia da Informação Quântica no MIPT.
"Começamos descrevendo uma chamada máquina de movimento perpétuo local do segundo tipo. Então, em dezembro, publicamos um artigo que discute a violação da segunda lei por meio de um dispositivo chamado demônio de Maxwell", disse Lesovik. "O artigo mais recente aborda o mesmo problema a partir de um terceiro ângulo: Criamos artificialmente um estado que evolui em uma direção oposta àquela da flecha termodinâmica do tempo."
O que torna o futuro diferente do passado
A maioria das leis da física não faz distinção entre o futuro e o passado. Por exemplo, deixe uma equação descrever a colisão e rebote de duas bolas de bilhar idênticas. Se um close desse evento for gravado com uma câmera e reproduzido ao contrário, ele ainda pode ser representado pela mesma equação. Além disso, não é possível distinguir da gravação se foi manipulada. Ambas as versões parecem plausíveis. Parece que as bolas de bilhar desafiam o sentido intuitivo do tempo.
No entanto, imagine gravar uma bola branca quebrando a pirâmide, as bolas de bilhar se espalhando em todas as direções. Nesse caso, é fácil distinguir o cenário da vida real da reprodução reversa. O que faz o último parecer tão absurdo é a nossa compreensão intuitiva da segunda lei da termodinâmica - um sistema isolado ou permanece estático ou evolui para um estado de caos e não de ordem.
A maioria das outras leis da física não impede que as bolas de bilhar sejam montadas em uma pirâmide, o chá infundido retorne ao saquinho de chá ou um vulcão "irrompe" em sentido inverso. Mas esses fenômenos não são observados, porque exigiriam um sistema isolado para assumir um estado mais ordenado, sem qualquer intervenção externa, o que contraria a segunda lei. A natureza dessa lei não foi explicada detalhadamente, mas os pesquisadores fizeram um grande progresso na compreensão dos princípios básicos por trás dela.
Reversão espontânea de tempo
Os físicos quânticos do MIPT decidiram verificar se o tempo poderia se inverter espontaneamente, pelo menos para uma partícula individual e por uma pequena fração de segundo. Isto é, em vez de colidir bolas de bilhar, eles examinaram um elétron solitário no espaço interestelar vazio.
"Suponha que o elétron esteja localizado quando começamos a observá-lo. Isso significa que temos certeza sobre sua posição no espaço. As leis da mecânica quântica nos impedem de conhecê-lo com absoluta precisão, mas podemos delinear uma pequena região onde o elétron é localizado ", diz o co-autor do estudo, Andrey Lebedev, do MIPT e ETH Zurich.
O físico explica que a evolução do estado do elétron é governada pela equação de Schrödinger. Embora não faça distinção entre o futuro e o passado, a região do espaço que contém o elétron se espalhará muito rapidamente. Ou seja, o sistema tende a se tornar mais caótico. A incerteza da posição do elétron está crescendo. Isso é análogo à crescente desordem em um sistema de grande escala - como uma mesa de bilhar - devido à segunda lei da termodinâmica.
Os quatro estágios do experimento real em um computador quântico espelham os estágios do experimento de pensamento envolvendo um elétron no espaço e a analogia imaginária com bolas de bilhar. Cada um dos três sistemas inicialmente evolui da ordem para o caos, mas então uma perturbação externa perfeitamente cronometrada reverte esse processo. Crédito: @ tsarcyanide / MIPT
"No entanto, a equação de Schrödinger é reversível", acrescenta Valerii Vinokur, um co-autor do artigo, do Argonne National Laboratory, EUA. "Matematicamente, isso significa que sob uma certa transformação chamada conjugação complexa, a equação descreverá uma" mancha ". elétron localizando de volta em uma pequena região do espaço no mesmo período de tempo ". Embora esse fenômeno não seja observado na natureza, teoricamente isso poderia acontecer devido a uma flutuação aleatória no fundo de microondas cósmica que permeia o universo.
A equipe começou a calcular a probabilidade de observar um elétron "espalhado" por uma fração de segundo localizando-se espontaneamente em seu passado recente. Descobriu-se que mesmo durante toda a vida do universo - 13,7 bilhões de anos - observando 10 bilhões de elétrons recém-localizados a cada segundo, a evolução inversa do estado da partícula só aconteceria uma vez. E, mesmo assim, o elétron não viajaria mais do que um décimo de bilionésimo de segundo no passado.
Fenômenos de larga escala envolvendo bolas de bilhar e vulcões obviamente se desdobram em escalas de tempo muito maiores e apresentam um número impressionante de elétrons e outras partículas. Isso explica por que não observamos pessoas idosas ficando mais jovens ou uma mancha de tinta se separando do papel.
Tempo de reversão sob demanda
Os pesquisadores então tentaram reverter o tempo em um experimento de quatro estágios. Em vez de um elétron, eles observaram o estado de um computador quântico feito de dois e mais tarde três elementos básicos chamados qubits supercondutores.
Estágio 1: pedido. Cada qubit é inicializado no estado fundamental, denotado como zero. Essa configuração altamente ordenada corresponde a um elétron localizado em uma região pequena ou a um rack de bolas de bilhar antes do intervalo.
Estágio 2: Degradação. A encomenda está perdida. Assim como o elétron é espalhado por uma região cada vez maior do espaço, ou o rack é quebrado na mesa de sinuca, o estado dos qubits se torna um padrão de mudança cada vez mais complexo de zeros e uns. Isto é conseguido lançando brevemente o programa de evolução no computador quântico. Na verdade, uma degradação semelhante ocorreria por si só devido a interações com o ambiente. No entanto, o programa controlado de evolução autônoma permitirá o último estágio do experimento.
Estágio 3: inversão de tempo. Um programa especial modifica o estado do computador quântico de tal forma que evoluiria "para trás", do caos para a ordem. Esta operação é semelhante à flutuação aleatória de fundo de microondas no caso do elétron, mas desta vez, é deliberadamente induzida. Uma analogia obviamente exagerada para o exemplo de bilhar seria alguém dando à mesa um chute perfeitamente calculado.
Estágio 4: Regeneração. O programa de evolução do segundo estágio é lançado novamente. Desde que o "chute" tenha sido entregue com sucesso, o programa não resulta em mais caos, mas rebobina o estado dos qubits de volta ao passado, como um elétron espalhado seria localizado ou as bolas de bilhar retrocederiam suas trajetórias em sentido inverso. reprodução, eventualmente formando um triângulo.
Os pesquisadores descobriram que em 85% dos casos, o computador quântico de dois qubits retornou ao estado inicial. Quando três qubits estavam envolvidos, mais erros aconteceram, resultando em uma taxa de sucesso de aproximadamente 50%. Segundo os autores, esses erros se devem a imperfeições no computador quântico real. À medida que os dispositivos mais sofisticados são projetados, a taxa de erro deve cair.
Curiosamente, o próprio algoritmo de inversão de tempo pode ser útil para tornar os computadores quânticos mais precisos. "Nosso algoritmo pode ser atualizado e usado para testar programas escritos para computadores quânticos e eliminar ruídos e erros", explicou Lebedev.
Esta pesquisa foi publicada em relatorios cientificos!
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