Oamenii de știință din Austria au realizat ceea ce pare imposibil: să facă timpul să curgă înapoi - dar numai la nivel cuantic.
Cercetătorii de la Academia Austriacă de Științe și de la Universitatea din Viena au demonstrat o metodă precisă pentru inversarea timpului într-un sistem cuantic, atingând o fidelitate medie de peste 95%. Studiul, publicat în Optica, arată că este posibil să faci o particulă cuantică să revină la o stare anterioară fără a ști nimic despre dinamica sa internă - o realizare care ar putea redefini corectarea erorilor în calculul cuantic.
Inversarea timpului fără a cunoaște sistemul
În fizica clasică, săgeata timpului indică înainte, impusă de a doua lege a termodinamicii. Dar în lumea cuantică, legile fizicii permit ca evoluția timpului să fie reversibilă - dacă se are controlul corect asupra sistemului.
Echipa austriacă, condusă de Miguel Navascués și Philip Walther, a folosit natura necomutativă a operatorilor cuantici pentru a construi un protocol de „inversare a timpului”. Metoda funcționează prin intermediul unui comutator cuantic, un dispozitiv care permite evoluției unui foton să urmeze simultan două ordine diferite.
Navascués a explicat conceptul în termeni simpli pentru El País: în fizica clasică, vizionarea unui film într-o sală de cinema înseamnă că acesta rulează de la început până la sfârșit; în fizica cuantică, „avem o telecomandă pentru a manipula filmul. Putem derula înapoi la o scenă anterioară sau putem sări înainte.”
Cercetători de la Academia Austriacă de Științe (ÖAW), care găzduiește laboratoarele Institutului pentru Optică Cuantică și Informație Cuantică (IQOQI)
Cum a fost realizat experimentul
Experimentul a codificat un qubit în polarizarea unui singur foton și l-a ghidat printr-un interferometru Sagnac. În interior, fotonul a experimentat două evoluții posibile - etichetate U și V - într-o suprapunere de secvențe. Prin orchestrarea atentă a interferenței dintre aceste căi, cercetătorii au aplicat eficient inversa matematică a evoluției fotonului, făcându-l să revină la starea sa inițială.
Crucial este faptul că acest proces nu a necesitat cunoașterea formei exacte a lui U sau V sau a stării inițiale. Testele au fost efectuate pe 50 de combinații diferite de evoluții, patru stări inițiale distincte și trei lungimi ale pașilor de timp (n = 1, 2, 3). Pe parcursul a 1.800 de experimente efectuate pe parcursul a trei săptămâni, fidelitatea a rămas constant peste 93%, unele ajungând la 97%. Echipa observă că aceasta a depășit cu mult cele mai bune strategii clasice posibile pentru aceeași sarcină.
Mai mult decât o simplă curiozitate din fizică
Aceasta nu este o călătorie în timp în sensul science-fiction - niciun om nu va păși în trecut prea curând. Cercetătorii estimează că ar dura milioane de ani pentru a inversa doar o secundă din „informația cuantică” a unui om. În schimb, adevăratul potențial constă în corectarea erorilor cuantice.
Într-un procesor cuantic, interacțiunile nedorite pot corupe datele. O „derulare înapoi” fiabilă ar putea restaura sistemul la o stare anterioară fără a cunoaște în detaliu ce a mers prost. După cum a spus Navascués, acest lucru este ca și cum ai avea „un buton de derulare înapoi” pentru mașinile cuantice, permițându-le să corecteze greșelile înainte ca acestea să se producă în cascadă.
Protocolul studiului rulează, de asemenea, în timp real: derularea înapoi a unei secunde de evoluție cuantică durează exact o secundă, spre deosebire de abordările anterioare care necesitau triplul acestui timp și aveau rate de succes mult mai mici.
Ce urmează
Deși lucrarea actuală a folosit fotoni, protocolul nu este legat de lumină. În principiu, ar putea fi adaptat la atomi reci, ioni prinși sau alte platforme cuantice. Autorii sugerează că, pe măsură ce fotonica cuantică integrată avansează, configurația ar putea fi miniaturizată și optimizată pentru fidelități și mai mari.
Cercetările viitoare ar putea, de asemenea, să testeze protocolul pe sisteme mai complexe sau să exploreze stările cuantice de „avansare rapidă” - lucru teoretizat de aceeași echipă. Scopul final este de a integra aceste capabilități în computere cuantice practice, transformând conceptul de control al timpului cuantic dintr-o demonstrație de laborator într-un instrument din lumea reală.
Acest studiu, care combină teoria la nivel înalt cu execuția experimentală precisă, împinge limitele a ceea ce este posibil din punct de vedere tehnic în manipularea cuantică - nu prin încălcarea regulilor fizicii, ci prin utilizarea lor la întregul lor potențial.
