Jak obrátit čas s kvantovým počítačem?  
Druhý termodynamický zákon říká, že všechno plyne podle šipky času. Od uspořádaného stavu k chaosu. Jenomže to by nebyli kvantoví fyzici, aby to nezkusili zpochybnit. V experimentech přinutili stav kvantového počítače se 2, a pak i se 3 qubity, aby se vracel o zlomek času zpátky. A podařilo se jim to!
Kvantoví fyzici (trochu) obrátili čas. Kredit: @tsarcyanide/MIPT.
Kvantoví fyzici (trochu) obrátili čas. Kredit: @tsarcyanide/MIPT.

Žijeme ve světě, který funguje podle fyzikálních zákonů. Samotní fyzici se s tím ale podle všeho nehodlají tak úplně smířit. Neustále hledají různé cestičky, po kterých by bylo možné vládnoucí fyzikální zákony obejít nebo alespoň zpochybnit jejich absolutní moc. Dělá to rovněž Gordey Lesovik z Moskevského institutu fyziky a technologií, který se s mezinárodním týmem spolupracovníků podílel na „provokacích“ proti druhému termodynamickému zákonu. Ten přitom empiricky a pravděpodobnostně popisuje průběh tepelných dějů a říká, že celková entropie izolovaného systému se nikdy nemůže v průběhu času snižovat.


Většina fyzikálních zákonů nijak zvlášť nerozlišuje mez minulostí a přítomností. Nikdo ale neočekává, že se budou dít věci jako samovolné poskládání rozprchlých kulečníkových koulí do původního postavení, vsáknutí rozptýleného čaje zpět do čajového pytlíku nebo třeba natečení žhavé lávy zpátky do sopky. Lidé totiž intuitivně vnímají druhý termodynamický zákon a hlídají si směr šipky času.

 

Gordey Lesovik. Kredit: Moscow Institute of Physics and Technology.
Gordey Lesovik.
Kredit: Moscow Institute of Physics and Technology.

Kvantové fyziky zajímalo, jestli je možné obrátit šipku času alespoň na zlomek času u jediné částice. Nejprve namísto nalévání lávy zpět do sopky teoreticky prozkoumali osamělý elektron v kosmickém prostoru. Vývoj stavu takového elektronu popisuje Schrödingerova rovnice. V průběhu času se tento systém stává více chaotickým a poloha elektronu je stále více nejistá, jak praví druhý termodynamický zákon.

 

Nicméně, Schrödingerova rovnice je vratná. Pomocí důmyslné matematické transformace, která zahrnuje komplexně sdružená čísla, je možné touto rovnici popsat stav elektronu nazpět v čase. Takový jev jsme zatím v přírodě nepozorovali. Podle fyziků by ale k němu teoreticky mohlo docházet, vlivem náhodné fluktuace reliktního mikrovlnného záření, které prochází celým vesmírem. Ta šance je prý ale naprosto mizivě mizivá. Lesovikův tým spočítal, že kdybychom po celou dobu existence vesmíru, tedy asi 14,7 miliardy let, každou sekundu pozorovali 10 miliard nových stavů elektronů, tak by elektron tímto způsobem skočil do minulosti asi tak jednou jedinkrát. A pokud by k tomu došlo, tak by elektron cestoval do minulosti vzdálené jen asi jednu desetmiliardtinu sekundy.

Jak obrátit čas na kvantovém počítači IBM? Kredit: @tsarcyanide/MIPT.
Jak obrátit čas na kvantovém počítači IBM? Kredit: @tsarcyanide/MIPT.


Jevy v makrosvětě, jako kulečník nebo sopečná erupce, probíhají v mnohem větším měřítku a obvykle zahrnují myriády elektronů a dalších částic. To je důvod, proč kolem sebe nepozorujeme občasné skoky v čase směrem vzad a nikdo před našima očima náhle neomládne, pokud nepoužije účinnou kosmetiku.

 

Lesovikovi a spol. to nestačilo. Zkusili obrátit čas v experimentu. Namísto elektronu použili kvantový počítač od IBM s dnes již klasickými supravodivými qubity. Vytvořili stav kvantového počítače, který se vyvíjí přímo proti směru termodynamické šipky času. Jinými slovy, tento stav se vrátí o zlomek sekundy do minulosti. Ukázalo se, že takový stav úspěšně skočí proti času asi v 85 procentech případů. Když použili namísto dvou qubitů počítač se třemi qubity, tak uspěli asi v jedné polovině případů. Badatelé předpokládají, že s více sofistikovanými kvantovými systémy by úspěšnost v převracení času byla ještě větší.


Vědci si také pochvalují, že jejich algoritmus pro obracení času není jenom taková kvantová hračka. Ukázalo se, že je možné takový postup využít pro zvýšení výkonu a přesnosti kvantových počítačů. Po dalším vylepšení by mohl sloužit k testování programů pro kvantové počítače a k eliminaci šumu a chyb při kvantových výpočtech.

 


Video:  Second law of thermodynamics


Literatura
Phys.org 13. 3. 2019, Scientific Reports online 13. 3. 2019.

Datum: 15.03.2019
Tisk článku

Smáli se Galileovi - Jack Albert
 
 
cena původní: 298 Kč
cena: 238 Kč
Smáli se Galileovi
Jack Albert
Související články:

Levitující nanočástice dočasně porušuje 2. termodynamický zákon     Autor: Stanislav Mihulka (07.04.2014)
Kvantové závody: IBM hlásí významný úspěch     Autor: Stanislav Mihulka (14.11.2017)
Společnost IBM představila světu kvantový počítač Q System One     Autor: Stanislav Mihulka (12.01.2019)



Diskuze:

Každá částice v našem vesmíru

Karel Ralský,2019-03-16 02:27:31

se musí vracet v čase,
jinak by nemohla existovat to si myslím jako mírně poučený laik
a možná oběžná dráha částic okolo atomu je toho důkazem možná by šlo vysledovat směr šíření informace o čase(vesmírný atraktor) z dráhy většiny částic zejména elektronů okolo jader atomu jestli je přesně kruhová nebo mírně protáhlá určitým směrem.

Odpovědět


Re: Každá částice v našem vesmíru

Pavel Hudecek,2019-03-16 12:56:21

S těmi atomy je to tak, že elektrony neobíhají, ale rozmažou se. Tvary těch mazanců najdete pod názvem orbitaly.

Akorát v rydbergových atomech obíhají, dokonce po lehce makroskopických drahách, ale je to exotický stav, který vydrží chviličku.

Odpovědět

Jev

Josef Šoltes,2019-03-15 23:34:01

Nešlo by tento jev využít při nadsvětelné komunikaci pomocí kvantově provázaných částic a obejít tak problém se sledováním stavů?

Odpovědět

Ludvik Boltzman

Peter Somatz,2019-03-15 13:50:18

Asi vo svojej dobe este nevedel nic o ciernych dierach. S plynmi, molekulami, atomami atd. je to jasne. Ale povedal by som, ze CD vysavaju neuporiadanu energiu, fotony, hmotu zo svojho okolia a pekne ju balickuju - usporiadavaju.

1. Kedze niekedy boli veci usporiadane - nejak sa to muselo stat
2. Este nevieme ako funguje CD na kvantovej urovni a relativita tam zlyhava

Tak by som si tipnut ze CD ma limit hmotnosti (zrejme na urovni celeho vesmiru) kedy zacnu fungovat ine pravidla, finalna CD praskne a vytvori novy vesmir.

Odpovědět


Re: Ludvik Boltzman

Jiri Naxera,2019-03-15 14:28:29

Bych si spíš tipnul, že (v našem Vesmíru, pokud je jeho fyzika blízká té kterou popisují exsitující teorie...) má černá díra limit hmotnosti tím, co stačí sežrat včas, než Vesmír rozfoukne kosmologická konstanta.
Jakmile pak teplota okolí (zbývající hmota, záření a reliktní záření) klesne pod teplotu Hawkingova záření, začne se pomalu vypařovat, až do závěrečné exploze. Dost s tím souvisí něco co se jmenuje informační paradox ČD, jehož řešení ale neznáme.

mimochodem http://math.ucr.edu/home/baez/end.html

Odpovědět


Re: Re: Ludvik Boltzman

Peter Somatz,2019-03-15 15:13:43

Ten Vas link hovori o "end of everything" - chladny, prazdny, vypareny vesmir.
Intucia mi hovori ze veci sa skor opakuju. A aby tie nahodne kvantove fluktuacie aby vytvorili novy vesmir je tiez nepravdepodobne - prilis mala hustota energie .

1.Priroda umoznuje rychlosti vyssie ako rychlost svetla - dokazom je pohyb "okrajov" vesmiru voci sebe > c.
2.Nas lokalny "rybnik"/casopriestor za normalnych okolnosti (gravitacie) umoznuje prenos informacie iba c.
3.Rovnako ako zlyhala Newtonova teoria pri velkych rychlostiach, tak je pravdepododne ze zlyha aj kvantova t. a relativita pri CD hmotnostiach, ktore este dnes nemaju -zacne fungovat ina fyzika.
4. Ako som uz povedal, nejak ten usporiadany stav musel vzniknut - aby bolo co kazit.

Ten limit hmotnosti CD som myslel pri zvacsovani, nie pri vyparovani.
Viem ze toto budu divoke spekulacie, ale skusim.
Teraz sme este nedaleko od velkeho tresku, takze celkova entropia rastie. Dostaneme sa do stavu ked ostanu len CD, ale ovela vacsie ako su dnes. Uz tym entropia klesne.
Od urcitych hmotnosti zacne posobit ina fyzika. Napr. CD strati naboj (ak nejaky mala).
Zacne sa skokovo, exponencialne zvacsovat polomer CD (hodite do nej banan a zvacsi sa 2x), rychlostou vacsou ako c, az nakoniec dosiahne okraje vesmiru. Pritom prebieha kompaktifikacia casopriestoru. Vsetka energia (alebo aspon taka, aby to prekrocilo horny limit) sa dostane do stredu CD a potom to vybuchne.
Inak povedane, podla mna existuje nejaka maximalna hmotnost CD - dalej uz nie je schopna rast a vybuchuje v novy vesmir. Boh mi je svedkom, ze si to vsetko vymyslam teraz za pochodu. Ale co, treba dat nejaky impulz ozajstnym fyzikom. :)

Odpovědět


Re: Re: Re: Ludvik Boltzman

Jiri Naxera,2019-03-15 17:13:06

ad Opakování - něco na tohle téma publikoval sir Rogger Penrose s jeho modelem Conformal Cyclic Cosmology.

1,2.tady to chce formulovat přesně. c je maxímální rychlostí pouze lokálně, globálně pouze v Minkowského prostoru (plochý časoprostor speciální teorie relativity)
Jakmile přejdete k pseudoriemanovskému prostoru obecné teorie relativity, tak už to neplatí (resp. OTR přechází do STR lokálně - proto je i limit c lokální, dalo by se to zobecnit že to platí nejen lokálně ale i pro ploché oblasti prostoru, případně to aproximovat že pro nějakej dostatečne malej prostor a dostatečně malou křivost atd.)

3. Ne. ANi na horizonu černé díry (pokud váží víc než tisíce tun) nenajdete dostatečné efekty kvantové gravitace, naopak, čím menší černá díra, tím větši kvantově gravitační korekce. To co je kolem singularity, kde se QG musí projevovat majoritně (ikdyž nikdo neví jak) je nedosažitelné díky kosmické cenzuře a event horizontu.
Teoretickou šanci na QG jevy máte až na konci vypařování, dřív ne.

ad spekulace - pokud to berete jako SciFi pak ptoč ne. Pokud to myslíte vážně, je na Vás, abyste ten scénář převedl do řeči rovnic, a ověřil, že to nebude mít vliv na to co already pozorujeme.
Jinak řečeno máte ideu, fine. Pak ale musíte vymyslet mechanismus (modifikaci OTR) která se tak chová, ověřit že to nic nerozbije, a pak přesvědčit kolegy, že to má výhody takže Occamova břitva není nutná. Optimálně i s nějakou experimentálně ověřitelnou predikcí.

Mimochodem, pro běžného smrtelníka je to obrovské omezení, ať vymyslíte cokoli jakkoli bláznivého, tak pro námi dostupné energie z toho prostě limitně musí vypadnout současná věda (SM + OTR).

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace