Crédito: @ tsarcyanide / MIPT
Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou se uniram a colegas dos EUA e da Suíça e retornaram ao estado de um computador quântico uma fração de segundo no passado. Eles também calcularam a probabilidade de um elétron no espaço interestelar vazio voltar espontaneamente ao passado recente. O estudo está publicado na Scientific Reports .
"Este é um de uma série de artigos sobre a possibilidade de violar a segunda lei da termodinâmica . Essa lei está intimamente relacionada à noção da seta do tempo que apresenta a direção unidirecional do tempo do passado para o futuro". disse o autor principal do estudo, Gordey Lesovik, chefe do Laboratório de Física da Tecnologia da Informação Quântica do MIPT.
"Começamos descrevendo uma chamada máquina perpétua de movimento 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 de um terceiro ângulo: criamos artificialmente um estado que evolui em uma direção oposta à da flecha termodinâmica do tempo".
O que diferencia o futuro 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 o rebote de duas bolas de bilhar idênticas. Se um close desse evento for gravado com uma câmera e reproduzido ao contrário, ele ainda poderá ser representado pela mesma equação. Além disso, não é possível distinguir da gravação se tiver sido medicada. Ambas as versões parecem plausíveis. Parece que as bolas de bilhar desafiam a noção intuitiva 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 o nosso entendimento intuitivo da segunda lei da termodinâmica - um sistema isolado permanece estático ou evolui para um estado de caos ao invés de ordem.
A maioria das outras leis da física não impede que bolas rolantes de bilhar se acumulem em uma pirâmide, que chá infundido retorne ao saquinho de chá ou que um vulcão "entre em erupção" ao contrário. Mas esses fenômenos não são observados, porque exigiriam que um sistema isolado assuma um estado mais ordenado, sem nenhuma intervenção externa, o que contraria a segunda lei. A natureza dessa lei não foi explicada em detalhes, mas os pesquisadores fizeram grandes progressos no entendimento dos princípios básicos por trás dela.
Reversão espontânea de tempo
Os físicos quânticos do MIPT decidiram verificar se o tempo poderia se reverter espontaneamente pelo menos para uma partícula individual e por uma pequena fração de segundo. Ou seja, em vez de colidirem 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 quase certeza de sua posição no espaço. As leis da mecânica quântica nos impedem de conhecê-lo com precisão absoluta, mas podemos delinear uma pequena região onde o elétron está localizado ", diz o co-autor do estudo Andrey Lebedev, do MIPT e ETH Zurich.
O físico explica que a evolução do estado eletrônico 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 aumentando. 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 refletem os estágios do experimento mental que envolvem um elétron no espaço e a analogia imaginária com as bolas de bilhar. Cada um dos três sistemas evolui inicialmente da ordem para o caos, mas, em seguida, um distúrbio externo perfeitamente sincronizado reverte esse processo.
Crédito: @ tsarcyanide / MIPT
"No entanto, a equação de Schrödinger é reversível", acrescenta Valerii Vinokur, co-autor do artigo, do Argonne National Laboratory, EUA. "Matematicamente, isso significa que, sob uma certa transformação chamada conjugação complexa, a equação descreverá um 'borrão'. localização de elétrons de volta em uma pequena região do espaço durante o mesmo período ". Embora esse fenômeno não seja observado na natureza, poderia teoricamente ocorrer devido a uma flutuação aleatória no fundo cósmico de microondas que permeia o universo.
A equipe decidiu calcular a probabilidade de observar um elétron "manchado" por uma fração de segundo localizando espontaneamente seu passado recente. Aconteceu que, mesmo durante toda a vida útil do universo - 13,7 bilhões de anos - observando 10 bilhões de elétrons recém-localizados a cada segundo, a evolução reversa do estado da partícula ocorreria apenas uma vez. E mesmo assim, o elétron não viajaria mais do que apenas um décimo de bilionésimo de segundo no passado.
Fenômenos em larga escala envolvendo bolas de bilhar e vulcões obviamente se desenvolvem em escalas de tempo muito maiores e apresentam um número impressionante de elétrons e outras partículas. Isso explica por que não observamos idosos ficando mais jovens ou um borrão de tinta se separando do papel.
Tempo de reversão sob demanda
Os pesquisadores tentaram reverter o tempo em um experimento de quatro estágios. Em vez de um elétron, eles observaram o estado de um computador quântico composto por dois e mais tarde três elementos básicos chamados qubits supercondutores.
- Etapa 1: Ordem. Cada qubit é inicializado no estado fundamental, denotado como zero. Essa configuração altamente ordenada corresponde a um elétron localizado em uma pequena região ou a um bastão de bolas de bilhar antes do intervalo.
- Etapa 2: Degradação. O pedido está perdido. Assim como o elétron é espalhado por uma região cada vez maior do espaço, ou o rack está quebrado na mesa de bilhar, o estado dos qubits se torna um padrão de mudança cada vez mais complexo de zeros e uns. Isso é alcançado lançando brevemente o programa de evolução no computador quântico. Na verdade, uma degradação semelhante ocorreria por si só devido às interações com o meio ambiente. No entanto, o programa controlado de evolução autônoma permitirá a última etapa do experimento.
- Etapa 3: Reversão do tempo. Um programa especial modifica o estado do computador quântico de forma que ele evolua "para trás", do caos para a ordem. Esta operação é semelhante à flutuação aleatória do fundo de microondas no caso do elétron, mas desta vez é deliberadamente induzida. Uma analogia obviamente absurda para o exemplo do bilhar seria alguém dando um chute perfeitamente calculado na mesa.
- Etapa 4: Regeneração. O programa de evolução do segundo estágio é lançado novamente. Desde que o "chute" tenha sido realizado com sucesso, o programa não resulta em mais caos, mas rebobina o estado dos qubits de volta ao passado, a maneira como um elétron manchado seria localizado ou as bolas de bilhar refaziam suas trajetórias ao contrário. reprodução, eventualmente formando um triângulo.
Os pesquisadores descobriram que em 85% dos casos, o computador quântico de dois bits retornou ao estado inicial. Quando três qubits foram envolvidos, mais erros ocorreram, resultando em uma taxa de sucesso de aproximadamente 50%. Segundo os autores, esses erros são causados por imperfeições no computador quântico real. À medida que dispositivos mais sofisticados são projetados, espera-se que a taxa de erros caia.
Curiosamente, o próprio algoritmo de reversão 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.
Mais informações: GB Lesovik et al. Seta do tempo e sua reversão no computador quântico IBM, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038 / s41598-019-40765-6
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