فیزیک‌دانان با کامپیوتر کوانتومی توانستند زمان را به عقب برگردانند

پژوهشگران مؤسسه‌ی فیزیک و فناوری مسکو با همکاری پژوهشگرانی از ایالات‌ متحده‌ی آمریکا و سوئیس موفق شدند وضعیت کامپیوتر کوانتومی را به‌اندازه‌ی کسری از ثانیه به‌عقب برگردانند. براساس محاسبات جدید آن‌ها، یک الکترون در فضای بین‌‌ستاره‌ای می‌تواند به‌صورت خودکار به گذشته بازگردد. این بررسی دیروز، ۱۳ مارس، در مجله‌ی Scientific Reports منتشر شد. گوردی لسویک، پژوهشگر ارشد این بررسی و سرپرست آزمایشگاه فناوری اطلاعات و فیزیک کوانتومی در MIPT، دراین‌باره می‌گوید:

این مقاله یکی از مجموعه‌ مقاله‌های مربوط‌به ‌احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک است. این قانون به جهت یک‌طرفه‌ی زمان اشاره می‌کند: از گذشته به آینده. ما کار خود را با توصیف ماشین حرکت دائمی از نوع دوم شروع کردیم؛ ماشینی فرضی که پس از شروع فعالیت برای همیشه به حرکت خود ادامه می‌دهد. درعمل، وجود چنین ماشینی به‌دلیل قانون دوم ترمودینامیک ناممکن است.

سپس در دسامبر، براساس دستگاهی به‌نام دیو ماکسول مقاله‌ای درباره‌ی نقض قانون دوم ترمودینامیک منتشر کردیم؛ اما این مقاله‌ی جدید از زاویه‌ی دیگری به ماجرا نگاه می‌کند. ما وضعیتی را به‌وجود آوردیم که درجهت خلاف زمان ترمودینامیکی توسعه می‌یابد. در ترمودینامیک، دیو ماکسول آزمایشی فرضی است که نشان می‌دهد چگونه می‌توان قانون دوم ترمودینامیک را به‌صورت فرضی نقض کرد.

چه عاملی آینده را از گذشته متمایز می‌کند؟

اغلب قوانین فیزیکی هیچ تمایزی بین آینده و گذشته قائل نمی‌شوند. برای مثال، معادله‌ی برخورد و برگشت دو توپ بیلیارد در اندازه‌های مساوی را در نظر بگیرید. اگر از لحظه‌ی برخورد فیلم بگیرید و سپس، آن را به‌عقب برگردانید، همان معادله‌ به‌دست می‌آید. علاوه‌براین، در ضبط فیلم هیچ تغییری دیده نمی‌شود. هر دو معادله امکان‌پذیر هستند؛ بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت توپ‌های بیلیارد درک شهودی زمان را به‌رقابت می‌طلبند.

حالا فرض کنید از لحظه‌ی برخورد کیوبال (توپ سفید بیلیارد) به مثلث توپ‌ها فیلم گرفته شده است. تمام توپ‌ها در جهت‌های مختلف به‌حرکت درمی‌آیند. برای نقل سناریوِ واقعی از جهت معکوس باید با قوانین بازی آشنا بود؛ اما از دید معکوس، قانون دوم ترمودینامیک عجیب‌ به‌نظر می‌رسد. یک سیستم ایزوله ایستا باقی می‌ماند یا در جهت بی‌نظمی رشد می‌کند، نه در جهت نظم.

اغلب قوانین فیزیکی مانع از تبدیل توپ‌های پراکنده‌ی بیلیارد به مثلث یا بازگشت چای به قوری یا فوران معکوس آتشفشان نمی‌شوند؛ اما این اتفاق‌ها در عمل رخ نداده‌اند؛ زیرا پیش‌نیاز آن‌ها وجود سیستم ایزوله و منظمی بدون هیچ‌گونه دخالت خارجی است که دقیقا برخلاف قانون دوم ترمودینامیک رخ می‌دهد. ماهیت این قانون دقیقا توصیف نشده است؛ اما پژوهشگران به‌دنبال بررسی اصول و مبانی اولیه‌ی آن هستند.

بازگشت خودبه‌خودی زمان

پژوهشگرهای MIPT این سؤال را مطرح کردند: آیا زمان می‌تواند حداقل برای یک ذره‌ی مستقل و به‌مدت کسری از ثانیه، به‌صورت خودکار به‌عقب بازگردد؟ آن‌ها برای پاسخ به این سؤال به‌جای برخورد توپ‌های بیلیارد، آزمایش خود را روی یک الکترون منفرد در فضای بین‌ستاره‌ای خالی انجام دادند. آندری لبدف، یکی از نویسندگان این مقاله، دراین‌زمینه می‌گوید:

فرض کنید الکترون در نقطه‌ای متمرکز شده است. این، یعنی درباره‌ی موقعیت آن در فضا مطمئن هستیم. قوانین فیزیک کوانتومی مانع از پی‌بردن به موقعیت دقیق و مطلق الکترون می‌شوند؛ اما می‌توانیم منطقه‌ی کوچکی را در نظر بگیریم که الکترون در آن قرار گرفته است.

به‌عقیده‌ی این فیزیک‌دان، وضعیت الکترون تحت‌تأثیر معادله‌ی شرودینگر تکامل پیدا می‌کند. معادله‌ی شرودینگر، معادله‌ای خطی است که تابع موج یا وضعیت سامانه‌ی مکانیکی کوانتومی را توصیف می‌کند. اگرچه این معادله هیچ تفاوتی بین گذشته و آینده قائل نمی‌شود، بخشی از فضا که حاوی الکترون است، به‌سرعت توسعه می‌یابد.

بدین‌ترتیب، سامانه به بی‌نظمی بیشتر گرایش پیدا می‌کند. نبود قطعیت در موقعیت الکترون هم افزایش پیدا می‌کند.براساس قانون دوم ترمودینامیک، این روند مشابه بی‌نظمی فزاینده در سامانه‌ای بزرگ (مثل میز بیلیارد) است. در این قانون، وضعیت کل آنتروپی سامانه‌ی ایزوله هرگز با گذشت زمان کاهش پیدا نمی‌‌کند. والری وینوکور، یکی از مؤلفان این مقاله از آزمایشگاه ملی آرگون ایالات متحده می‌گوید:

معادله‌ی شرودینگر برگشت‌پذیر است. از دیدگاه ریاضی، در تبدیلی مشخص به‌نام پیوستگی پیچیده، این معادله یک الکترون را توصیف می‌کند که در بازه‌ی زمانی یکسانی به همان بخش کوچک از فضا بازمی‌گردد.

 اگرچه این پدیده در طبیعت دیده نمی‌شود، ازنظر تئوری، براثر نوسان تصادفی در پس‌زمینه‌ی مایکروویوی کیهانی امکان‌پذیر است. پژوهشگران این تیم احتمال بازگشت خودبه‌خودی الکترون به‌عقب را به‌اندازه‌ی کسری از ثانیه محاسبه کردند. آن‌ها به این نتیجه رسیدند که حتی اگر به‌اندازه‌ی کل عمر جهان (۱۳.۷ میلیارد سال) ۱۰ میلیارد الکترون را در هر ثانیه بررسی کنند، تکامل معکوس وضعیت ذره، تنها یک‌مرتبه اتفاق خواهد افتاد و حتی پس‌ازآن، الکترون بیش از یک‌میلیاردیم ثانیه به گذشته بازنخواهد گشت.

درباره‌ی پدیده‌ها در مقیاس بزرگ‌تر، ازجمله توپ‌های بیلیارد و آتش‌فشان‌ها و موارد دیگر، قطعا بازه‌های زمانی و تعداد الکترون‌ها و ذرات دیگر بیشتر خواهد بود. به‌همین‌دلیل، در طبیعت نمی‌توان انتظار داشت افراد مسن، جوان شوند یا جوهر روی کاغذ دوباره به جوهردان بازگردد.

چهار مرحله‌ی آزمایش واقعی روی کامپیوتر کوانتومی که مراحل آزمایش فرضی ازجمله الکترون در فضا و شباهت تصویر با توپ‌های بیلیارد را نشان می‌دهد. هرکدام از سه سیستم از نظم به بی‌نظمی تکامل پیدا می‌کنند؛ اما در مرحله‌ی بعد، یک عامل تداخلی خارجی و زمان‌دار این فرایند را معکوس می‌کند

بازگشت زمان براساس نیاز

 در مرحله‌ی بعدی، پژوهشگران در آزمایشی چهارمرحله‌ای زمان را به‌عقب برگرداندند، با این تفاوت که این بار به‌جای یک الکترون، وضعیت کامپیوتر کوانتومی را بررسی کردند که از دو و سه عنصر بنیادی به‌نام کیوبیت‌های ابررسانا ساخته شده بودند.

مرحله‌ی اول. نظم: به هر کیوبیت در وضعیت ابتدایی مقدار صفر تخصیص می‌یابد. این ترکیب‌بندی منظم متناظر با قرارگرفتن یک الکترون در منطقه‌ای کوچک یا ردیفی منظم از توپ‌های بیلیارد قبل از برخورد است.

مرحله‌ی دوم. فروپاشی: نظم در این مرحله از بین می‌رود. الکترون در بخش بزرگی از فضا حرکت می‌کند. در مثال بیلیارد، توپ‌ها در جهت‌های مختلف به‌حرکت درمی‌آیند. در این وضعیت، به‌دلیل تغییر الگوی صفر و یک‌ها، کیوبیت پیچیده‌تر می‌شود. با اجرای برنامه‌ی تکاملی روی کامپیوتر کوانتومی می‌توان به این هدف رسید. فروپاشی مشابه به‌دلیل واکنش با محیط رخ می‌دهد. بااین‌حال، برنامه‌ی کنترل‌شده‌ی تکامل خودکار آخرین مرحله‌ی آزمایش را عملی می‌سازد.

مرحله‌ی سوم. وارونه‌سازی زمان: برنامه‌ای ویژه وضعیت کامپیوتر کوانتومی را به‌گونه‌ای تغییر می‌دهد که از حالت بی‌نظمی به‌صورت معکوس وارد نظم شود. در نمونه‌ی الکترون، این عملیات به نوسان تصادفی مایکروویو بستگی دارد با این تفاوت که این‌بار این حرکت عمدی بوده است. در مثال بیلیارد، این عمل مانند انجام محاسبات اولیه برای ضربه‌‌زدن به توپ است.

 مرحله‌ی چهارم. بازتولید: برنامه‌ی تکاملی از مرحله‌ی دوم باردیگر اجرا شد. اگر ضربه با موفقیت اعمال شود، برنامه به بی‌نظمی منجر نخواهد شد؛ بلکه وضعیت کیوبیت‌ها را به گذشته برمی‌گرداند. بدین‌‌ترتیب الکترون به وضعیت اولیه بازمی‌گردد یا در مثال توپ بیلیارد، توپ‌‌ها دوباره مثلث را تشکیل می‌دهند.

پژوهشگران به این نتیجه رسیدند ۸۵ درصد از نمونه‌های کامپیوترهای کوانتومی با دو کیوبیت به وضعیت اولیه‌ی خود برمی‌گردند. وقتی سه کیوبیت وارد میدان شوند، احتمال خطا افزایش می‌یابد و احتمال موفقیت به ۵۰ درصد می‌رسد. به‌نقل از مؤلفان، این خطاها به‌دلیل نقص در کامپیوتر کوانتومی واقعی رخ می‌دهند. هرچه دستگاه‌های پیچیده‌تری طراحی شوند، نسبت خطا هم کاهش می‌یابد. جالب‌تر اینکه می‌توان از الگوریتم بازگشت زمان برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی دقیق‌تر استفاده کرد. لبدف می‌گوید:

این الگوریتم به‌روزرسانی‌شدنی است و می‌توان از آن برای آزمودن برنامه‌هایی استفاده کرد که مخصوص کامپیوترهای کوانتومی نوشته شده‌اند و بدین‌ترتیب خطا و نویز را از بین برد.

سارا ارجمند