Hoe kwantumcomputers de pijl van de tijd kunnen doden

Een nieuwe techniek voor kwantumcomputers zou ons hele model van hoe tijd in het universum beweegt, kunnen openbreken.

Dit is wat lang leek waar te zijn: tijd werkt in één richting. De andere richting? Niet zo veel.

Dat is waar in het leven. (Dinsdag rolt in woensdag, 2018 in 2019, jeugd in ouderdom.) En het is waar in een klassieke computer. Wat betekent dat? Het is veel gemakkelijker voor een stukje software dat op uw laptop draait om te voorspellen hoe een complex systeem zich in de toekomst zal verplaatsen en ontwikkelen dan om het verleden opnieuw te creëren. Een eigenschap van het universum die theoretici "causale asymmetrie" noemen, vereist dat er veel meer informatie nodig is - en veel complexere berekeningen - om in de ene richting door de tijd te bewegen dan om in de andere te bewegen. (Praktisch gesproken is vooruitgaan in de tijd gemakkelijker.)

Dit heeft gevolgen voor het echte leven. Meteorologen kunnen redelijk goed voorspellen of het over vijf dagen gaat regenen op basis van de huidige weerradargegevens. Maar vraag dezelfde meteorologen om erachter te komen of het vijf dagen geleden heeft geregend met behulp van de radarbeelden van vandaag? Dat is een veel uitdagender taak, waarvoor veel meer gegevens en veel grotere computers nodig zijn. [De 18 grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde]

Informatietheoretici vermoedden lange tijd dat causale asymmetrie een fundamenteel kenmerk van het universum zou kunnen zijn. Al in 1927 voerde de natuurkundige Arthur Eddington aan dat deze asymmetrie de reden is dat we alleen vooruit gaan in de tijd en nooit achteruit. Als je het universum begrijpt als een gigantische computer die constant zijn weg door de tijd berekent, is het altijd gemakkelijker - minder arbeidsintensief - om dingen naar voren te laten stromen (oorzaak, dan gevolg) dan achteruit (gevolg, dan oorzaak). Dit idee wordt de "pijl van de tijd" genoemd.

Maar een nieuw artikel, gepubliceerd op 18 juli in het tijdschrift Physical Review X, opent de deur naar de mogelijkheid dat die pijl een artefact is van klassieke berekeningen - iets dat ons alleen leek te zijn vanwege onze beperkte tools.

Een team van onderzoekers ontdekte dat onder bepaalde omstandigheden causale asymmetrie verdwijnt in kwantumcomputers, die op een geheel andere manier rekenen - In tegenstelling tot klassieke computers waarin informatie wordt opgeslagen in een van de twee toestanden (1 of 0), wordt bij kwantumcomputers informatie opgeslagen. in subatomaire deeltjes die enkele bizarre regels volgen en zo kunnen ze elk in meer dan één toestand tegelijkertijd zijn. En, nog aantrekkelijker, hun paper wijst de weg naar toekomstig onderzoek dat zou kunnen aantonen dat causale asymmetrie helemaal niet bestaat in het universum..

Hoe is dat?

Zeer overzichtelijke en zeer willekeurige systemen zijn gemakkelijk te voorspellen. (Denk aan een slinger - geordend - of een gaswolk die een kamer vult - ongeordend.) In dit artikel keken de onderzoekers naar fysieke systemen met een goudlokje van wanorde en willekeur - niet te weinig en niet te veel. (Dus, zoiets als een zich ontwikkelend weersysteem.) Deze zijn erg moeilijk voor computers om te begrijpen, zei co-auteur Jayne Thompson, een complexiteitstheoreticus en natuurkundige die kwantuminformatie bestudeert aan de National University of Singapore. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

Vervolgens probeerden ze het verleden en de toekomst van die systemen te achterhalen met behulp van theoretische kwantumcomputers (zonder fysieke computers). Deze modellen van kwantumcomputers gebruikten niet alleen minder geheugen dan de klassieke computermodellen, zei ze, ze konden in beide richtingen door de tijd heen draaien zonder extra geheugen te gebruiken. Met andere woorden, de kwantummodellen hadden geen causale asymmetrie.

"Hoewel het klassiek gezien onmogelijk is dat het proces in een van de richtingen [door de tijd] gaat", vertelde Thompson, "laten onze resultaten zien dat het proces 'kwantummechanisch' in beide richtingen kan gaan met zeer weinig geheugen."

En als dat waar is in een kwantumcomputer, dan is dat waar in het universum, zei ze.

Kwantumfysica is de studie van het vreemde probabilistische gedrag van zeer kleine deeltjes - alle zeer kleine deeltjes in het universum. En als de kwantumfysica waar is voor alle onderdelen van het universum, dan geldt het ook voor het universum zelf, ook al zijn sommige van de vreemdere effecten voor ons niet altijd duidelijk. Dus als een kwantumcomputer kan werken zonder causale asymmetrie, dan kan het universum dat ook.

Natuurlijk is het zien van een reeks bewijzen over hoe kwantumcomputers ooit zullen werken niet hetzelfde als het zien van het effect in de echte wereld. Maar we zijn nog ver verwijderd van kwantumcomputers die geavanceerd genoeg zijn om het soort modellen uit te voeren dat dit artikel beschrijft, zeiden ze.

Bovendien, zei Thompson, bewijst dit onderzoek niet dat er nergens in het universum enige causale asymmetrie is. Zij en haar collega's lieten zien dat er geen asymmetrie is in een handvol systemen. Maar het is mogelijk, zei ze, dat er enkele zeer kale kwantummodellen zijn waarbij enige causale asymmetrie naar voren komt.

'Ik ben agnostisch op dat punt', zei ze.

Voor nu.

De volgende stap voor dit onderzoek, zei ze, is om die vraag te beantwoorden - om erachter te komen of er causale asymmetrie bestaat in kwantummodellen..

Dit artikel bewijst niet dat tijd niet bestaat, of dat we er ooit doorheen kunnen glippen. Maar het lijkt wel aan te tonen dat een van de belangrijkste bouwstenen van ons begrip van tijd, oorzaak en gevolg niet altijd werkt zoals wetenschappers lang hebben aangenomen - en misschien helemaal niet zo werkt. Wat dat betekent voor de vorm van de tijd, en voor de rest van ons, is nog een beetje een open vraag.

Het echte praktische voordeel van dit werk, zei ze, is dat kwantumcomputers in de toekomst gemakkelijk simulaties van dingen (zoals het weer) in beide richtingen in de tijd kunnen uitvoeren, zonder serieuze problemen. Dat zou een grote verandering zijn ten opzichte van de huidige klassieke modellenwereld.

Oorspronkelijk gepubliceerd op .