Aika kulkee yhteen suuntaan: eteenpäin. Pienistä pojista tulee vanhoja miehiä, mutta ei päinvastoin; teekupit rikkoutuvat, mutta eivät koskaan kokoontu spontaanisti uudelleen. Tämä maailmankaikkeuden julma ja muuttumaton ominaisuus, nimeltään "ajan nuoleksi", on pohjimmiltaan seurausta termodynamiikan toisesta laista, joka määrää, että järjestelmät pyrkivät aina häiriintymään ajan myötä. Mutta viime aikoina Yhdysvaltojen ja Venäjän tutkijat ovat taivuttaneet nuolen vain hiukan - ainakin subatomisten hiukkasten osalta.
Uudessa tutkimuksessa, joka julkaistiin tiistaina (12. maaliskuuta) lehdessä Scientific Reports, tutkijat manipuloivat ajan nuolet käyttämällä erittäin pieniä kvantitietokoneita, jotka oli valmistettu kahdesta kvanttihiukkasista, joita kutsutaan qubiteiksi ja jotka suorittivat laskelmia.
Subatomisessa mittakaavassa, jossa kvanttimekaniikan parittomat säännöt pysyvät muuttumattomina, fyysikot kuvaavat järjestelmien tilaa matemaattisella rakenteella, jota kutsutaan aaltofunktioksi. Tämä funktio on ilmaus kaikista mahdollisista tiloista, joissa järjestelmä voi olla - jopa hiukkasen tapauksessa, kaikissa mahdollisissa sijainneissa, joissa se voi olla - ja sen todennäköisyydestä, että järjestelmä on missä tahansa näistä tiloista milloin tahansa . Yleensä ajan myötä aaltofunktiot leviävät; hiukkasen mahdollinen sijainti voi olla kauempana, jos odotat tuntia kuin odotat 5 minuuttia.
Aaltofunktion leviämisen poistaminen on kuin yrittäisi laittaa vuotanut maito takaisin pulloon. Mutta juuri sen tutkijat ovat suorittaneet tässä uudessa kokeessa.
"Ei ole periaatteessa mitään mahdollisuutta, että tämä tapahtuu yksin", johtava tutkija Valerii Vinokur, fyysikko Argonnen kansallisessa laboratoriossa Illinoisissa, kertoi Live Science: lle. "Se on kuin se sanonta, jossa jos annat apinalle kirjoituskoneen ja paljon aikaa, hän voi kirjoittaa Shakespearen." Toisin sanoen, se on teknisesti mahdollista, mutta niin epätodennäköistä, että se voi yhtä hyvin olla mahdotonta.
Kuinka tutkijat tekivät käytännössä mahdottomaksi tapahtua? Hallitsemalla kokeilua huolellisesti.
"Tarvitset todella paljon hallintaa, jotta kaikki teekupin rikkoutuneet palat tulevat takaisin yhteen", Sydneyn yliopiston fysiikan professori Stephen Bartlett kertoi Live Science: lle. Bartlett ei ollut mukana tutkimuksessa. "Sinulla on oltava paljon hallintaa järjestelmää saadaksesi sen tekemään niin ... ja kvantitietokone on jotain, jonka avulla meillä on valtava määrä hallita simuloitua kvanttijärjestelmää."
Tutkijat käyttivät kvanttitietokonetta yhden hiukkasen simulointiin. Sen aaltofunktio leviää ajan myötä kuin lampilassa oleva aalto. Sitten he kirjoittivat kvantitietokoneeseen algoritmin, joka käänsi aaltofunktion jokaisen komponentin aikakehityksen kääntäen olennaisesti kyseisen aaltoilun takaisin hiukkasiin, jotka sen loivat. He saavuttivat tämän saavutuksen lisäämättä entropiaa tai häiriöitä muualla maailmankaikkeudessa, näennäisesti uhmaavan ajan nuolen.
Tarkoittaako tämä, että tutkijat tekivät aikakoneen? Rikkoivatko he fysiikan lakeja? Kysymykseen ei ole vastattu kieltävästi. Termodynamiikan toisen lain mukaan maailmankaikkeuden järjestyksen on laskettava ajan myötä, mutta ei niin, että se ei voi koskaan pysyä samana hyvin erityistapauksissa. Ja tämä koe oli tarpeeksi pieni, riittävän lyhyt ja riittävän kontrolloitu, jotta maailmankaikkeus ei saanut eikä menettänyt energiaa.
"On erittäin monimutkaista ja monimutkaista lähettää aaltoja lampi takaisin", kun ne on luotu, Vinokur sanoi, "mutta näimme, että tämä oli mahdollista kvantimaailmassa, hyvin yksinkertaisessa tapauksessa." Toisin sanoen, se oli mahdollista, kun he käyttivät kvantitietokoneen heille antamaa ohjausta kumoamaan ajan vaikutuksen.
Ohjelman suorittamisen jälkeen järjestelmä palasi alkuperäiseen tilaansa 85 prosenttia ajasta. Kun kolmas kvitti otettiin käyttöön, kokeilu onnistui kuitenkin vain 50 prosenttia ajasta. Tutkijoiden mukaan järjestelmän monimutkaisuus lisääntyi todennäköisesti liikaa kolmannella kvbitillä, mikä kvanttitietokoneen vaikeutti hallitsemaan järjestelmän kaikkia näkökohtia. Ilman tätä hallintaa entropiaa ei voida pitää kurissa, ja ajan kääntö on siten epätäydellinen. Silti he pyrkivät isompiin järjestelmiin ja isompiin kvantitietokoneisiin seuraavia vaiheita varten, Vinokur kertoi Live Sciencelle.
"Työ on hieno panos fysiikan perusteisiin", James Whitfield, New Hampshiren Dartmouth-yliopiston fysiikan professori, joka ei ollut mukana tutkimuksessa, kertoi Live Science: lle. "Se muistuttaa meitä siitä, että kaikkien kvanttilaskentasovellusten ei tarvitse olla sovelluslähtöisiä ollakseen kiinnostavia."
"Tästä syystä rakennamme kvantitietokoneita", sanoi Bartlett. "Tämä on osoitus siitä, että kvantitietokoneet voivat antaa meille simuloida asioita, joita ei pitäisi tapahtua todellisessa maailmassa."
