Pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou se uniram a colegas dos EUA e da Suíça e devolveram o estado de um computador quântico uma fração de segundo ao passado. Eles também calcularam a probabilidade de um elétron no espaço interestelar vazio viajar espontaneamente de volta ao seu passado recente. O estudo é publicado em Relatórios Científicos .

"Este é um de uma série de artigos sobre a possibilidade de violação da segunda lei da termodinâmica. Essa lei está intimamente relacionada à noção de seta do tempo que postula a direção unilateral do tempo do passado para o futuro, "disse o principal autor do estudo, Gordey Lesovik, que chefia o Laboratório de Física da Tecnologia da Informação Quântica do MIPT.

"Começamos descrevendo uma chamada máquina de movimento perpétuo local de segundo tipo. Então, em dezembro, publicamos um artigo que discute a violação da segunda lei por meio de um dispositivo chamado demônio de Maxwell, "O artigo mais recente aborda o mesmo problema de um terceiro ângulo:criamos artificialmente um estado que evolui em uma direção oposta à da flecha termodinâmica do tempo."

O que torna o futuro diferente do passado

A maioria das leis da física não faz distinção entre o futuro e o passado. Por exemplo, deixe uma equação descrever a colisão e o rebote de duas bolas de bilhar idênticas. Se um close-up desse evento for gravado com uma câmera e reproduzido ao contrário, ele ainda pode ser representado pela mesma equação. Além disso, não é possível distinguir da gravação se ela foi adulterada. Ambas as versões parecem plausíveis. Parece que as bolas de bilhar desafiam a noção intuitiva do tempo.

Contudo, imagine gravar uma bola branca quebrando a pirâmide, as bolas de bilhar se espalhando em todas as direções. Nesse caso, é fácil distinguir o cenário da vida real da reprodução reversa. O que faz este último parecer tão absurdo é nossa compreensão intuitiva da segunda lei da termodinâmica - um sistema isolado permanece estático ou evolui para um estado de caos em vez de ordem.

A maioria das outras leis da física não evita que as bolas de bilhar rolantes se formem em uma pirâmide, o chá infundido flui de volta para o saquinho de chá, ou um vulcão em "erupção" ao contrário. Mas esses fenômenos não são observados, porque exigiriam um sistema isolado para assumir um estado mais ordenado sem qualquer intervenção externa, o que é contrário à segunda lei. A natureza dessa lei não foi explicada em detalhes, mas os pesquisadores fizeram grandes progressos na compreensão dos princípios básicos por trás dele.

Inversão de tempo espontânea

Os físicos quânticos do MIPT decidiram verificar se o tempo poderia se reverter espontaneamente, pelo menos para uma partícula individual e por uma minúscula fração de segundo. Isso é, em vez de colidir com bolas de bilhar, eles examinaram um elétron solitário no espaço interestelar vazio.

"Suponha que o elétron esteja localizado quando começamos a observá-lo. Isso significa que temos bastante certeza sobre sua posição no espaço. As leis da mecânica quântica nos impedem de conhecê-lo com precisão absoluta, mas podemos delinear uma pequena região onde o elétron está localizado, "diz o co-autor do estudo, Andrey Lebedev, do MIPT e da ETH Zurique.

O físico explica que a evolução do estado do elétron é governada pela equação de Schrödinger. Embora não faça distinção entre o futuro e o passado, a região do espaço que contém o elétron se espalhará muito rapidamente. Isso é, o sistema tende a se tornar mais caótico. A incerteza da posição do elétron está crescendo. Isso é análogo ao aumento da desordem em um sistema de grande escala - como uma mesa de bilhar - devido à segunda lei da termodinâmica.

"Contudo, A equação de Schrödinger é reversível, "acrescenta Valerii Vinokur, um co-autor do artigo, do Laboratório Nacional de Argonne, EUA "Matematicamente, isso significa que sob uma certa transformação chamada conjugação complexa, a equação irá descrever um elétron 'espalhado' localizando-se de volta em uma pequena região do espaço no mesmo período de tempo. "Embora esse fenômeno não seja observado na natureza, isso poderia teoricamente acontecer devido a uma flutuação aleatória na radiação cósmica de fundo que permeia o universo.

A equipe começou a calcular a probabilidade de observar um elétron "espalhado" em uma fração de segundo, localizando-se espontaneamente em seu passado recente. Descobriu-se que mesmo durante toda a vida do universo - 13,7 bilhões de anos - observando 10 bilhões de elétrons recentemente localizados a cada segundo, a evolução reversa do estado da partícula aconteceria apenas uma vez. E mesmo assim, o elétron não viajaria mais do que apenas um décimo bilionésimo de segundo no passado.

Fenômenos em grande escala envolvendo bolas de bilhar e vulcões obviamente se desdobram em escalas de tempo muito maiores e apresentam um número surpreendente de elétrons e outras partículas. Isso explica por que não observamos pessoas idosas ficando mais jovens ou uma mancha de tinta se separando do papel.

Revertendo o tempo sob demanda

Os pesquisadores então tentaram reverter o tempo em um experimento de quatro estágios. Em vez de um elétron, eles observaram o estado de um computador quântico feito de dois e mais tarde três elementos básicos chamados qubits supercondutores.

• Etapa 1:pedido. Cada qubit é inicializado no estado fundamental, denotado como zero. Esta configuração altamente ordenada corresponde a um elétron localizado em uma pequena região, ou um rack de bolas de bilhar antes do intervalo.
• Etapa 2:Degradação. O pedido foi perdido. Assim como o elétron é espalhado por uma região cada vez maior do espaço, ou o rack está quebrado na mesa de sinuca, o estado dos qubits torna-se um padrão de mudança cada vez mais complexo de zeros e uns. Isso é conseguido lançando brevemente o programa de evolução no computador quântico. Na realidade, uma degradação semelhante ocorreria por si só devido às interações com o meio ambiente. Contudo, o programa controlado de evolução autônoma possibilitará a última etapa do experimento.
• Etapa 3:inversão de tempo. Um programa especial modifica o estado do computador quântico de forma que ele evolua "para trás, "do caos em direção à ordem. Esta operação é semelhante à flutuação aleatória de fundo de micro-ondas no caso do elétron, mas desta vez, é deliberadamente induzido. Uma analogia obviamente rebuscada para o exemplo do bilhar seria alguém dar um chute perfeitamente calculado na mesa.
• Etapa 4:regeneração. O programa de evolução da segunda fase é lançado novamente. Desde que o "chute" tenha sido aplicado com sucesso, o programa não resulta em mais caos, mas sim retrocede o estado dos qubits de volta ao passado, a maneira como um elétron espalhado seria localizado ou as bolas de bilhar refazer suas trajetórias em reprodução reversa, eventualmente formando um triângulo.

Os pesquisadores descobriram que em 85 por cento dos casos, o computador quântico de dois qubit voltou ao estado inicial. Quando três qubits estavam envolvidos, mais erros aconteceram, resultando em uma taxa de sucesso de aproximadamente 50%. De acordo com os autores, esses erros são devidos a imperfeições no computador quântico real. À medida que dispositivos mais sofisticados são projetados, a taxa de erro deverá cair.

Interessantemente, o próprio algoritmo de reversão do tempo pode ser útil para tornar os computadores quânticos mais precisos. "Nosso algoritmo pode ser atualizado e usado para testar programas escritos para computadores quânticos e eliminar ruídos e erros, "Lebedev explicou.