Yurii Mongol
0 
3421
1028
De tijd gaat in één richting: vooruit. Kleine jongens worden oude mannen, maar niet andersom; theekopjes versplinteren maar komen nooit spontaan in elkaar. Deze wrede en onveranderlijke eigenschap van het universum, de "pijl van de tijd" genoemd, is in wezen een gevolg van de tweede wet van de thermodynamica, die dicteert dat systemen in de loop van de tijd altijd de neiging zullen hebben om meer wanordelijk te worden. Maar onlangs hebben onderzoekers uit de VS en Rusland die pijl een beetje gebogen - althans voor subatomaire deeltjes.
In de nieuwe studie, die dinsdag (12 maart) in het tijdschrift Scientific Reports werd gepubliceerd, manipuleerden onderzoekers de pijl van de tijd met behulp van een zeer kleine kwantumcomputer gemaakt van twee kwantumdeeltjes, bekend als qubits, die berekeningen uitvoerden. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]
Op de subatomaire schaal, waar de vreemde regels van de kwantummechanica de overhand hebben, beschrijven natuurkundigen de toestand van systemen door middel van een wiskundig construct dat een golffunctie wordt genoemd. Deze functie is een uitdrukking van alle mogelijke toestanden waarin het systeem zich zou kunnen bevinden - zelfs, in het geval van een deeltje, alle mogelijke locaties waar het zich zou kunnen bevinden - en de waarschijnlijkheid dat het systeem zich op een bepaald moment in een van die toestanden bevindt. . Over het algemeen verspreiden golffuncties zich naarmate de tijd verstrijkt; de mogelijke locatie van een deeltje kan verder weg zijn als u een uur wacht dan als u 5 minuten wacht.
Het verspreiden van de golffunctie ongedaan maken is als proberen gemorste melk terug in de fles te doen. Maar dat is precies wat de onderzoekers hebben bereikt in dit nieuwe experiment.
"Er is in principe geen kans dat dit op zichzelf gebeurt", vertelde hoofdonderzoeker Valerii Vinokur, een natuurkundige aan het Argonne National Laboratory in Illinois. 'Het is zoiets als dat gezegde: als je een aap een typemachine en veel tijd geeft, kan hij Shakespeare schrijven.' Met andere woorden, het is technisch mogelijk, maar zo onwaarschijnlijk dat het net zo goed onmogelijk kan zijn.
Hoe hebben de wetenschappers het in wezen onmogelijke mogelijk gemaakt? Door het experiment zorgvuldig te controleren.
"Je hebt echt veel controle nodig om alle gebroken stukjes van een theekopje weer bij elkaar te laten komen", vertelde Stephen Bartlett, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Sydney. Bartlett was niet betrokken bij het onderzoek. "Je moet veel controle over het systeem hebben om dat te kunnen doen… en een kwantumcomputer is iets waarmee we een enorme hoeveelheid controle hebben over een gesimuleerd kwantumsysteem."
De onderzoekers gebruikten een kwantumcomputer om een enkel deeltje te simuleren, waarvan de golffunctie zich in de tijd uitspreidde als een rimpel in een vijver. Vervolgens schreven ze een algoritme in de kwantumcomputer dat de tijdsevolutie van elk afzonderlijk onderdeel van de golffunctie omkeerde, waardoor die rimpel in feite terug werd getrokken in het deeltje dat het creëerde. Ze bereikten deze prestatie zonder de entropie of wanorde elders in het universum te vergroten, waarbij ze schijnbaar de pijl van de tijd tartten.
Betekent dit dat de onderzoekers een tijdmachine hebben gemaakt? Hebben ze de wetten van de natuurkunde overtreden? Het antwoord is nee op beide vragen. De tweede wet van de thermodynamica zegt dat de orde van het universum in de loop van de tijd moet afnemen, maar niet dat deze in zeer speciale gevallen nooit hetzelfde kan blijven. En dit experiment was klein genoeg, kort genoeg en zo beheerst dat het universum geen energie won of verloor.
"Het is erg complex en ingewikkeld om golven op een vijver terug te sturen" als ze eenmaal zijn gemaakt, zei Vinokur, "maar we zagen dat dit in de kwantumwereld mogelijk was, in een heel eenvoudig geval." Met andere woorden, het was mogelijk toen ze de controle gebruikten die hun door de kwantumcomputer werd gegeven om het effect van de tijd ongedaan te maken.
Na het uitvoeren van het programma keerde het systeem 85 procent van de tijd terug naar de oorspronkelijke staat. Toen echter een derde qubit werd geïntroduceerd, lukte het experiment slechts 50 procent van de tijd. De onderzoekers zeiden dat de complexiteit van het systeem waarschijnlijk te veel toenam met de derde qubit, waardoor het voor de kwantumcomputer moeilijker werd om controle te houden over alle aspecten van het systeem. Zonder die controle kan entropie niet onder controle worden gehouden en is de tijdomkering daarom niet perfect. Toch streven ze naar grotere systemen en grotere kwantumcomputers voor hun volgende stappen, vertelde Vinokur .
"Het werk is een mooie bijdrage aan de grondslagen van de natuurkunde", vertelde James Whitfield, een professor in de natuurkunde aan het Dartmouth College in New Hampshire, die niet bij het onderzoek betrokken was. "Het herinnert ons eraan dat niet alle toepassingen van quantum computing toepassingsgericht hoeven te zijn om interessant te zijn."
"Dit is precies waarom we kwantumcomputers bouwen", zegt Bartlett. "Dit is een demonstratie dat kwantumcomputers ons in staat stellen dingen te simuleren die in de echte wereld niet zouden moeten gebeuren."
- De grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
- 18 keer kwantumdeeltjes bliezen ons op
- Wat is dat? Uw vragen over natuurkunde beantwoord
Oorspronkelijk gepubliceerd op .