Aeg kulgeb ühes suunas: edasi. Väikestest poistest saavad vanad mehed, kuid mitte vastupidi; teekupud purunevad, kuid ei koondu kunagi iseeneslikult. See universumi julm ja muutumatu omadus, mida nimetatakse "aja nooleks", on põhimõtteliselt termodünaamika teise seaduse tagajärg, mis dikteerib, et süsteemid kipuvad aja jooksul alati muutumatuks. Kuid viimasel ajal on USA ja Venemaa teadlased seda noolt pisut painutanud - vähemalt subatomiliste osakeste jaoks.
Teisipäeval (12. märtsil) ajakirjas Scientific Reports avaldatud uues uuringus manipuleerisid teadlased aja noolega, kasutades väga pisikest kvantarvutit, mis koosnes kahest kvantosakesest, mida nimetatakse kvbititeks, mis tegi arvutusi.
Subatomilisel skaalal, kus kvantmehaanika paaritu reeglid muutuvad, kirjeldavad füüsikud süsteemide seisundit matemaatilise konstruktsiooni kaudu, mida nimetatakse lainefunktsiooniks. See funktsioon on kõigi võimalike olekute väljendus, milles süsteem võib asuda - isegi osakese korral - kõigis võimalikes kohtades, milles see olla võib - ning süsteemi tõenäosus olla ükskõik millises neist olekutest igal ajahetkel . Üldiselt aja möödudes lainefunktsioonid jaotuvad laiali; osakese võimalik asukoht võib tund aega oodates olla kaugemal kui 5 minutit.
Lainefunktsiooni leviku peatamine on nagu üritaks voolanud piima pudelisse tagasi panna. Kuid see on täpselt see, mille teadlased selle uue eksperimendi käigus saavutasid.
"Põhimõtteliselt pole võimalust, et see juhtub iseseisvalt," rääkis Illinoisi Argonne'i riikliku labori füüsik juhtivteadur Valerii Vinokur Live Science'ile. "See on nagu see ütlus, kus kui annate ahvile kirjutusmasina ja palju aega, võib ta kirjutada Shakespeare'i." Teisisõnu, see on tehniliselt võimalik, kuid nii ebatõenäoline võib see olla ka võimatu.
Kuidas tegid teadlased sisuliselt võimatuks juhtuda? Katse hoolikalt kontrollides.
"Teekonna purunenud tükkide kokkuviimiseks vajate tõesti palju kontrolli," rääkis Sydney ülikooli füüsikaprofessor Stephen Bartlett Live Science'ile. Bartlett uuringus ei osalenud. "Teil peab olema palju süsteemi üle kontrolli, et see saaks seda teha ... ja kvantarvuti on midagi, mis võimaldab meil simuleeritud kvantisüsteemi üle tohutult kontrolli saada."
Teadlased kasutasid ühe osakese simuleerimiseks kvantarvutit, selle lainefunktsioon levis aja jooksul laiali nagu tiigi pulss. Seejärel kirjutasid nad kvantarvutis algoritmi, mis pööras ümber lainefunktsiooni iga üksiku komponendi ajalise arengu, tõmmates selle pulsatsiooni sisuliselt tagasi osakese, mis selle lõi. Nad viisid selle saavutuse läbi ilma entroopia ega häireteta mujal universumis, näiliselt trotsides aja noolt.
Kas see tähendab, et teadlased tegid ajamasina? Kas nad rikkusid füüsikaseadusi? Vastus mõlemale küsimusele on eitav. Termodünaamika teine seadus ütleb, et universumi järjekord peab aja jooksul vähenema, kuid mitte nii, et see ei saa kunagi väga erilistel juhtudel samaks jääda. Ja see katse oli piisavalt väike, piisavalt lühike ja piisavalt kontrollitud, et universum ei ei saanud energiat ega kaotanud seda.
"Tiigi taha lainete saatmine on väga keeruline ja keeruline," kui nad on juba loodud, ütles Vinokur, "aga nägime, et kvantmaailmas oli see väga lihtsal juhul võimalik." Teisisõnu, see oli võimalik, kui nad kasutasid ajamõju tühistamiseks neile kvantarvuti antud juhtelementi.
Pärast programmi käitamist läks süsteem tagasi oma algsesse olekusse 85 protsenti ajast. Kolmanda kvartali kasutuselevõtul õnnestus eksperiment siiski vaid 50 protsenti ajast. Teadlaste sõnul suurenes süsteemi keerukus tõenäoliselt kolmanda kvartaliga liiga palju, muutes kvantarvutil süsteemi kõigi aspektide üle kontrolli säilitamise keerukamaks. Ilma selle kontrollita ei saa entroopiat kontrolli all hoida ja seetõttu on aja ümberpööramine ebatäiuslik. Sellegipoolest on nad järgmiste sammude jaoks suunatud suuremate süsteemide ja suuremate kvantarvutite poole, rääkis Vinokur Live Science'ile.
"See töö on kena panus füüsika alustaladesse," rääkis New Hampshire'is asuva Dartmouthi kolledži füüsikaprofessor James Whitfield, kes uuringuga ei tegelenud, vahendas Live Science. "See tuletab meile meelde, et kõik kvantarvutuste rakendused ei pea olema rakendustele orienteeritud, et olla huvitavad."
"Just seetõttu ehitame kvantarvuteid," ütles Bartlett. "See on tõestus, et kvantarvutid võimaldavad meil simuleerida asju, mida reaalses maailmas ei tohiks esineda."
