فیزیکدانان موفق به معکوس کردن زمان در یک کامپیوتر کوانتومی شدند!

معکوس کردن زمان و بازگشت به گذشته در ادوار مختلف تاریخ، همیشه عده‌ای را به خود مشغول کرده است. اگرچه در گذشته‌های دور، تلاش بشر برای سفر به گذشته، بیشتر بر مبنای جادو و مفاهیم غیرعلمی انجام می‌گرفته، اما برعکس با گذشت زمان، این تلاش‌ها رنگ‌وبوی علمی‌تری به خود گرفتند، به گونه‌ای که امروزه این تلاش‌ها بنیانی کاملا علمی دارند. در مقاله زیر خواهیم دید که دانشمندان، چنین تلاشی را با استفاده از کامپیوتر کوانتومی به ثمر نشانده‌اند. با دیپ لوک همراه باشید…

محققانی از موسسه فیزیک و تکنولوژی مسکو به همراه دانشمندانی از آمریکا و سوییس، حالت یک کامپیوتر کوانتومی را، برای کسری از ثانیه به گذشته بازگرداندند. آنها همچنین احتمال اینکه یک الکترون در فضای بین‌ستاره‌ای خالی، به طور خودبخودی به گذشته‌اش بازگردد را نیز حساب کردند. نتیجه‌ی این پژوهش در قالب مقاله‌ای در Scientific Reports منتشر شد. محققان می‌گویند:

این مقاله، یکی از چندین مقاله در مورد احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک است. این قانون، ارتباط نزدیکی به مفهوم پیکان زمانی دارد که مسیر یک‌طرفه‌ی زمان را از گذشته به آینده نشان می‌دهد. ما با توصیف یک ماشین حرکت دائمی محلی نوع دوم (local perpetual motion machine of the second kind) آغاز کردیم. سپس مقاله‌ای منتشر کردیم در مورد نقض قانون دوم از طریق دستگاهی که شیطان ماکسول نامیده می‌شود. مقاله‌ی اخیر، به همان مسئله از یک زاویه‌ی سوم نگاه می‌کند: ما به طور مصنوعی، حالتی ساختیم که در جهت مخالف پیکان زمانی ترمودینامیکی، تکامل می‌یابد.

چه چیزی آینده را متفاوت از گذشته می‌کند؟

اکثر قوانین فیزیکی، تفاوتی بین آینده و گذشته قائل نمی‌شوند. مثلا معادله‌ی توصیف کننده‌ی برخورد دو توپ بیلیارد را درنظر بگیرید. اگر فیلمی از این رویداد ضبط کرده و آن را به طور معکوس پخش کنیم، هنوز می‌توان آن را با همان معادله‌ی قبلی توصیف کرد. به علاوه، از روی فیلم ضبط شده، نمی‌توان تشخیص داد که آیا تغییری رخ داده یا نه. هر دو نسخه‌ی فیلم (چه حالت عادی و چه پخش معکوس آن)، پذیرفتنی هستند. در واقع به نظر می‌رسد توپ‌های بیلیارد حس شهودی زمان را فراموش می‌کنند.

حالا فیلمی از یک چوب بیلیارد را تصور کنید که مثلث توپ‌ها را شکسته و آنها را در تمام جهات، پخش می‌کند. در این مورد، به راحتی می‌توان فیلم واقعی را از فیلم در حالت معکوس تشخیص داد. چیزی که مورد دوم را بسیار پیچیده می‌کند، درک شهودی ما از قانون دوم ترمودینامیک است که می‌گوید: یک سیستم منزوی، یا ایستا باقی می‌ماند یا به سمت حالتی آشوبناک‌تر (به جای منظم‌تر) پیش می‌رود.

اکثر قوانین دیگر فیزیک، مانع جمع شدن توپ‌های بیلیارد به درون یک مثلث، جریان یافتن چای به درون چای کیسه‌ای یا فوران یک آتشفشان در جهت معکوس، نمی‌شوند، با این حال، ما این پدیده‌ها را در اطرافمان نمی‌بینیم، زیرا آنها به یک سیستم منزوی برای وجود یک حالت منظم‌تر بدون هیچ مداخله‌ی درونی و برخلاف قانون دوم نیاز دارند. ماهیت این قانون به طور مفصل توضیح داده نشده، اما محققان پیشرفت مهمی در فهم اصول بنیادی پشت آن داشته‌اند.

معکوس کردن زمان به صورت خودبخودی

فیزیکدانان تصمیم گرفتند بررسی کنند آیا زمان می‌تواند به طور خودبخودی خودش را حداقل برای یک ذره‌ و کسر کوچکی از ثانیه معکوس کند. آنها به جای برخورد توپ‌های بیلیارد، یک الکترون منزوی را در فضای خالی بین ستاره‌ای بررسی کردند. آنها می‌گویند:

فرض کنید وقتی شروع به مشاهده‌ی الکترون کنیم، الکترون جایگزیده شود. این بدان معناست که ما در مورد مکانش در فضا، کاملا مطمئن هستیم. اگرچه قوانین مکانیک کوانتومی مانع دانستن مکان کاملا دقیق الکترون می‌شود، ولی می‌توانیم ناحیه‌ی کوچکی از فضا را برای الکترون جایگزیده مشخص کنیم.

تحول حالت الکترون با معادله‌ی شرودینگر، توصیف می‌شود. اگرچه این معادله، تفکیکی بین آینده و گذشته قائل نمی‌شود، اما ناحیه‌ای از فضا که الکترون در آن قرار دارد، بسیار سریع پخش خواهد شد. یعنی این سیستم تمایل دارد آشوبناک‌تر شود، پس عدم قطعیت مکان الکترون، بیشتر می‌شود. این پدیده، همچون افزایش بی‌نظمی در یک سیستم بزرگ‌مقیاس، ناشی از قانون دوم ترمودینامیک است. دانشمندان می‌گویند:

اما معادله‌ی شرودینگر، برگشت‌پذیر است. این بدان معناست که این معادله به طور ریاضی، تحت یک تبدیل خاص به نام مزدوج مختلط، الکترونی که در همان بازه‌ی زمانی در ناحیه‌ی کوچکی از فضا، جایگزیده می‌شود را توصیف خواهد کرد. اگرچه این پدیده، در طبیعت مشاهده نمی‌شود، اما می‌تواند به طور نظری و به علت یک افت‌وخیز تصادفی در تابش زمینه‌ی کیهانی رخ دهد.

دانشمندان احتمال مشاهده‌ی یک الکترون که در کسری از ثانیه به طور خودبخودی به گذشته‌‌‌ی جایگزیده‌اش بازمی‌گردد را محاسبه کردند. حتی در کل طول عمر جهان (یعنی ۱۳.۷ میلیارد سال)، با مشاهده‌‌ی ۱۰ میلیارد الکترون در هر ثانیه، تنها یک تحول معکوس زمانی رخ می‌دهد و حتی پس از آن، الکترون صرفا بیشتر از یک ده میلیاردم ثانیه، به گذشته سفر نخواهد کرد. پدیده‌های بزرگ‌مقیاس مانند توپ‌های بیلیارد و آتشفشان‌ها مقیاس‌های زمانی بسیار بزرگتری دارند. به همین دلیل است که ما نمی‌بینیم افراد پیر، جوان شوند!

معکوس کردن زمان بر اساس نیاز

محققان سپس معکوس کردن زمان را در یک آزمایش چهار مرحله‌ای انجام دادند. آنها به جای یک الکترون، حالت یک کامپیوتر کوانتومی ساخته شده از دو و سپس سه عنصر بنیادی به نام کیوبیت‌های ابررسانا را مشاهده کردند:

• مرحله ۱: نظم. هر کیوبیت در حالت پایه که حالت صفر نامیده می‌شود، قرار دارد. این آرایش بسیار منظم متناظر با یک الکترون جایگزیده در یک ناحیه کوچک است.
• مرحله ۲: تنزل. نظم از بین می‌رود. درست مانند الکترون که در یک ناحیه‌ی فضا، پخش می‌شود، حالت کیوبیت‌ها یک الگوی بسیار پیچیده‌ی در حال تغییر از صفر و یک ها می‌شود. چنین کاری با اجرای برنامه تحول روی کامپیوتر کوانتومی بدست می‌آید. واقعا یک تنزل مشابه و ناشی از برهمکنش‌ با محیط رخ می‌دهد. در نهایت، برنامه‌ی کنترل شده‌ی تحول، آخرین مرحله‌ی آزمایش را امکان‌پذیر خواهد کرد.
• مرحله۳: معکوس کردن زمان . یک برنامه ویژه، حالت کامپیوتر کوانتومی را به شیوه‌ای که به عقب می‌رود (یعنی از آشوب به سوی نظم)، تغییر می‌دهد. در مورد الکترون، این عملکرد، به افت وخیز تابش زمینه‌ی کیهانی تصادفی وابسته است، اما در مورد کیوبیت‌ها، به صورت عمدی القا می‌شود.
• مرحله ۴: بازسازی. برنامه تحول از مرحله دوم، دوباره اجرا می‌شود، اما این بار برنامه باعث آشوب بیشتر نمی‌شود، بلکه در عوض حالت کیوبیت‌ها را به گذشته بازمی‌گرداند، یعنی همانطور که یک الکترون پخش شده، دوباره جایگزیده می‌شود.

محققان دریافتند در ۸۵ درصد موارد، کامپیوتر کوانتومی دو کیوبیتی، به حالت اولیه بازمی‌گردد. وقتی سه کیوبیت درگیر شدند، خطاهای بیشتری رخ می‌دهد، که باعث نرخ موفقیت حدود ۵۰ درصد می‌شود. با طراحی دستگاه‌های پیچیده‌تر، انتظار می‌رود نرخ خطا افت کند. ثابت می‌شود که الگوریتم معکوس کردن زمان برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی دقیق‌تر، مفید است. محققان می‌گویند:

الگوریتم ما می‌تواند به‌روزرسانی شود و برای آزمودن الگوریتم‌های نوشته شده برای کامپیوترهای کوانتومی و حذف نویزها و خطاها، استفاده گردد.