Čas jde jedním směrem: vpřed. Malí kluci se stávají starci, ale ne naopak; šálky se rozbijí, ale nikdy se spontánně nesestaví. Tato krutá a neměnná vlastnost vesmíru, nazývaná „šipka času“, je zásadně důsledkem druhého zákona o termodynamice, který diktuje, že systémy se budou v průběhu času stále více znehodnocovat. Nedávno však vědci z USA a Ruska tuto šipku ohnuli - alespoň u subatomárních částic.
V nové studii zveřejněné v úterý 12. března v časopise Scientific Reports vědci manipulovali s časem pomocí velmi malého kvantového počítače tvořeného dvěma kvantovými částicemi, známými jako qubits, které prováděly výpočty.
V subatomické stupnici, kde se lichá pravidla kvantové mechaniky drží, se fyzici popisují stavem systémů pomocí matematického konstruktu zvaného vlnová funkce. Tato funkce je vyjádřením všech možných stavů, ve kterých by systém mohl být - dokonce i v případě částice, všech možných umístění, ve kterých by mohl být - a pravděpodobnosti, že systém bude v kterémkoli z těchto stavů v daném okamžiku . Obecně se postupem času šíří vlnové funkce; možné umístění částice může být dále, pokud budete čekat hodinu, než pokud budete čekat 5 minut.
Zrušení šíření vlnové funkce je jako snaha vrátit rozlité mléko zpět do láhve. Ale přesně to vědci dosáhli v tomto novém experimentu.
"V zásadě neexistuje žádná šance na to, aby se to stalo samo o sobě," řekl vedoucí vědecký pracovník Valerii Vinokur, fyzik z Argonne National Laboratory v Illinois, pro Live Science. "Je to jako říkat, že pokud dáte opici psacího stroje a spoustu času, může napsat Shakespeara." Jinými slovy, je to technicky možné, ale tak nepravděpodobné, že to také nebude možné.
Jak vědci znemožnili v podstatě nemožné? Pečlivým ovládáním experimentu.
„Opravdu potřebujete hodně kontroly, aby se všechny rozbité kousky šálku vrátily dohromady,“ řekl Stephen Bartlett, profesor fyziky na University of Sydney, Live Science. Bartlett nebyl do studie zapojen. "Musíte mít hodně kontroly nad systémem, abyste to dokázali… a kvantový počítač je něco, co nám umožňuje mít obrovskou kontrolu nad simulovaným kvantovým systémem."
Vědci použili kvantový počítač k simulaci jedné částice, její vlnová funkce se časem rozšířila jako vlnění v rybníku. Poté v kvantovém počítači napsali algoritmus, který zvrátil časový vývoj každé jednotlivé složky vlnové funkce, a v podstatě odtáhl vlnění zpět do částice, která jej vytvořila. Dosáhli tohoto činu, aniž by zvýšili entropii nebo nepořádek jinde ve vesmíru, zdánlivě vzdorovali šipce času.
Znamená to, že vědci vytvořili stroj času? Porušovali fyzikální zákony? Odpověď zní ne na obě tyto otázky. Druhý termodynamický zákon říká, že pořadí vesmíru se musí časem snižovat, ale ne to, že ve velmi zvláštních případech nikdy nemůže zůstat stejné. A tento experiment byl dost malý, dost krátký a dostatečně kontrolovaný, aby vesmír nezískal ani neztratil energii.
„Je velmi složité a komplikované poslat vlny na rybník zpět,“ jakmile byly vytvořeny, Vinokur řekl: „ale viděli jsme, že to bylo možné v kvantovém světě, ve velmi jednoduchém případě.“ Jinými slovy, bylo možné, když použili kontrolu, kterou jim dal kvantový počítač, aby zrušili časový účinek.
Po spuštění programu se systém vrátil do původního stavu 85 procent času. Když však byl představen třetí kvit, experiment uspěl pouze 50 procent času. Vědci uvedli, že složitost systému se pravděpodobně příliš zvýšila s třetím qubitem, což ztěžuje kvantovému počítači udržet kontrolu nad všemi aspekty systému. Bez této kontroly nelze entropii udržet pod kontrolou, a proto je časová změna nedokonalá. Stále však usilují o větší systémy a větší kvantové počítače pro své další kroky, řekl Vinokur Live Science.
„Tato práce je pěkným příspěvkem k základům fyziky,“ řekl pro Live Science James Whitfield, profesor fyziky na Dartmouth College v New Hampshire, který se studie nezúčastnil. "Připomíná nám, že ne všechny aplikace kvantového zpracování dat musí být orientovány na aplikace, aby byly zajímavé."
"Právě proto stavíme kvantové počítače," řekl Bartlett. "Toto je ukázka, že kvantové počítače nám umožňují simulovat věci, které by se neměly vyskytovat ve skutečném světě."
