Com base no experimento revolucionário de 'reversão do tempo' do ano passado, dois pesquisadores do Instituto de Física e Tecnologia de Moscou e do Laboratório Nacional de Argonne publicaram um novo estudo teórico em Física das Comunicações . Embora seu artigo anterior tratasse de um estado quântico predefinido, desta vez, os físicos criaram uma maneira de reverter no tempo a evolução de um objeto de uma forma arbitrária, estado desconhecido.

Algum dia, um esquema de reversão aprimorado poderia nos permitir confirmar o funcionamento correto de um computador quântico que é tão poderoso que, de outra forma, exigiria um computador ainda maior do que ele para verificar, derrotando o propósito.

O caos reina com o tempo

Existe uma maneira natural de evoluir o estado de um chip quântico se deixado por sua própria conta:da ordem ao caos. Isso é verdade sobre outras coisas, também:com o tempo, nossos corpos envelhecem, estruturas feitas pelo homem se deterioram, e enquanto um cubo de gelo deixado na mesa de jantar invariavelmente derrete, outro cubo de gelo certamente não surgirá em um copo do nada - embora isso possa depender do que a pessoa bebeu.

Por meio da experiência cotidiana, adquirimos uma noção de tempo com base na distinção entre os estados passados ​​geralmente mais ordenados e os estados futuros tipicamente mais caóticos de sistemas fechados - como um copo de água com um cubo de gelo, onde o derretimento é um processo unilateral. Os físicos se referem a isso como assimetria temporal, ou a seta do tempo. Ela decorre da tendência à desordem, expressa formalmente pela segunda lei da termodinâmica.

"Um de nossos avanços, "diz um dos autores, Valerii Vinokur de Argonne, "é a compreensão - que colocamos em prática - de que um computador quântico é uma parte do mundo físico real, mas permitindo um controle sem precedentes sobre sua evolução no tempo."

Livro de feitiços de algoritmos

O que muitos jornalistas saudaram como uma 'máquina do tempo' no ano passado foi o experimento dos físicos que inverteu brevemente a seta do tempo para um computador quântico. Isso é, o experimento ocorreu no computador, inicialmente em um estado ordenado, evoluindo para um caos maior por um breve período de tempo. Depois disso, a equipe usou seu algoritmo de reversão de tempo para modificar o estado do computador de forma que ele começasse a rastrear o que estava fazendo anteriormente, efetivamente evoluindo na reprodução reversa até assumir o estado original ordenado.

O problema era que era preciso saber o estado do computador no momento em que o algoritmo de reversão do tempo entrava em ação, porque não era universal. "Mesmo isso parecia mágica, mas o procedimento retrabalhado é um tipo totalmente diferente de gênio, se você permitir a analogia, "Vinokur comentou." Digamos que você quisesse restaurar o esplendor original do Partenon. O velho gênio iria, 'Nós vamos, Eu posso fazer isso, mas você tem que me dar algumas informações. Quero um plano perfeitamente detalhado das ruínas como estão agora. Você vê, aquele gênio não tinha feitiço universal para voltar no tempo. Em vez de, ele tinha um grande livro de feitiços, que você teria que folhear juntos para encontrar o caminho certo. Sujeito muito tedioso. "

Em termos práticos, o problema de saber qual estado você está revertendo é a necessidade de registrá-lo. Este não era realmente um problema para o pequeno computador composto de dois ou três bits quânticos, que foi usado no estudo do ano passado. Mas aumentar o experimento aumenta os requisitos de memória muito rápido:cada qubit adicional dobra a quantidade de memória necessária.

Para endereçar isto, os pesquisadores criaram um algoritmo universal, então agora eles têm uma besta de um gênio para ordenar que é flexível o suficiente para se adaptar a qualquer cenário. Não importa de que maneira particular um sistema quântico se tenha deteriorado, ele pode fazer seu truque de mágica e voltar ao seu passado "ordeiro". Na verdade, ele vai pedir toneladas e toneladas de mármore e chamuscá-lo com o fogo do inferno, mas nunca é simples com gênios. Talvez esta seja uma folga.

Suportes de palco do mágico

Aqui está uma experiência de pensamento para guiá-lo durante o processo. Imagine que você pegou um monte de moléculas de água e as usou para fazer um floco de neve de aparência única em uma caixa perfeitamente hermética. Só você conhece a forma do floco de neve. Você deixa a caixa em temperatura ambiente por algum tempo, e isso estraga o floco de neve nele. Com o novo algoritmo de reversão de tempo - e algumas manipulações térmicas sofisticadas - os pesquisadores afirmam que podem restaurar seu floco de neve à sua forma original. Aqui está como.

Quanto aos truques de magia, os físicos começam complicando um pouco as coisas com os adereços de palco:eles precisarão de uma caixa idêntica com o mesmo número de moléculas de água - lembre-se das toneladas de mármore. A água pode estar no estado líquido ou gasoso, isso não tem importância. Você apenas tem que garantir que as duas caixas contenham o mesmo material na mesma quantidade. Agora fique de olho na prestidigitação que se segue.

Assim que uma caixa dupla - também conhecida como sistema auxiliar - estiver disponível, o procedimento envolve quatro etapas.

Passo 1: Termalização . Leve a caixa dupla a uma temperatura muito alta, colocando-a em contato com um corpo muito quente, chamado de reservatório de calor.

Passo 2: Separação . Desconecte o reservatório de calor.

Etapa 3: Manipulação . Execute uma operação chamada SWAP quântica não completa entre a caixa gêmea e a original.

Passo 4: Reiteração . Repita as etapas 1 a 3 um número absurdo de vezes.

Essa sequência induz um estado invertido no tempo da caixa original com o floco de neve destruído, o que significa que começará imediatamente a retroceder em seu passado recente até que assuma o estado inicial, congelando de volta exatamente na mesma forma que você pretendia. Voila!

O papel em Física das Comunicações fornece uma fórmula para quantas vezes o ciclo acima deve ser repetido para reverter o estado de um determinado sistema em relação ao tempo. Isso é, para empurrá-lo precisamente da maneira certa para garantir a evolução para trás do estado atual em direção a estados anteriores no passado. Resumidamente, o número é enorme, e cresce rapidamente com a complexidade do sistema e com o quanto deve retroceder no tempo.

Pimp my qubit

Concedido o Partenon provavelmente terá que esperar, mas a equipe está otimista sobre um possível experimento que reverteria brevemente o tempo de um computador simples composto por um pequeno número de bits quânticos. Com dois qubits, por exemplo, levaria pelo menos 16 repetições de ciclo, com três é 64, e assim por diante.

Esse experimento é viável com a tecnologia de hoje, mas o problema é que as máquinas publicamente disponíveis - como o computador quântico IBM usado no estudo do ano passado - não suportam a termização, que é a primeira etapa do ciclo. Pensando bem, esperar que as instalações compartilhadas tenham recursos especializados desse tipo é como pedir ao seu serviço local de compartilhamento de carros um lowrider saltitante. Portanto, este experimento de reversão do tempo está aguardando uma equipe disposta a "arranjar" um computador quântico próprio, adaptando-o com um grande reservatório de calor ruim.

Embora a mecânica quântica como tal seja notoriamente contra-intuitiva, há um aspecto do novo algoritmo de reversão do tempo que deixa até os físicos coçando a cabeça. "Em geral, quanto mais quente um sistema, mais desorganizado fica. Então, se você pensar sobre isso, o que estamos fazendo é usar uma ferramenta associada ao caos absoluto - o reservatório de calor - para trazer ordem, "Andrey Lebedev explicou." Estamos expondo repetidamente o sistema auxiliar a uma temperatura extremamente alta com o objetivo final de observar o passado frio e ordenado do sistema primário. É um paradoxo que ainda precisamos entender. "

Como testar alguém mais inteligente do que você

Algoritmos de reversão de tempo universal podem ser usados ​​no futuro para verificar se um computador quântico opera corretamente, e a vantagem quântica foi alcançada. A coisa é, uma vez que um computador quântico é muito mais poderoso do que outros computadores, como você confirma que ele não está sujeito a erros sem um dispositivo à prova de erros comparável?

Uma vez que uma máquina de 52 qubit executa um algoritmo quântico avançado, ele produzirá um estado quântico extremamente complexo. A maneira convencional de garantir que nenhum erro tenha sido cometido exigiria uma descrição completa do estado final. Contudo, estaria além dos poderes da humanidade.

É aí que entram os algoritmos de reversão do tempo universal. Se você puder executar o cálculo ao contrário e não se importar com o estado final que está retrocedendo, 'então não há necessidade de descrevê-lo. Apenas certifique-se de voltar exatamente ao ponto de partida.

Então, quando os computadores quânticos começarem a realizar descobertas científicas, a reversão do tempo será útil para confirmar que essas são conclusões válidas sobre o mundo, em vez de uma falha quântica de proporções épicas.