Moskova Fizik ve Teknoloji Enstitüsü’nden araştırmacılar, ABD ve İsviçre’den meslektaşlarıyla bir araya geldi ve bir kuantum bilgisayarının durumunu geçmişe bir saniyeden çok kısa bir süre içinde geri getirdi. Ayrıca, yıldızlar arası boşluktaki bir elektronun kendi geçmişine dönme olasılığını hesapladılar. Çalışma Scientific Reports’ta yayımlandı.
MIPT’de Kuantum Bilgi Teknolojisi Fiziği Laboratuvarı’na başkanlık eden çalışmanın baş yazarı Gordey Lesovik, “Bu, termodinamiğin ikinci yasasını ihlal etme olasılığına ilişkin bir dizi makaleden biridir. Bu yasa, zamanın geçmişten geleceğe tek yönlü yönünü ortaya koyan zaman oku kavramıyla yakından ilişkilidir.” dedi.
Lesovik, “Çalışmaya ikinci tür bir yerel sürekli hareket makinesi tanımlayarak başladık. Ardından Aralık ayında, Maxwell’in cini adı verilen bir cihaz aracılığıyla ikinci yasanın ihlalini tartışan bir makale yayınladık. En son makale aynı soruna üçüncü bir açıdan yaklaşıyor. Yapay olarak zamanın termodinamik okunun tersine bir yönde gelişen bir durum yarattık.” diye ekledi.
Geleceği, geçmişten farklı kılan nedir?
Çoğu fizik kanunu gelecek ve geçmiş arasında bir ayrım yapmaz. Örneğin, bir denklemin iki özdeş bilardo topunun çarpışmasını ve geri tepmesini tanımlandığını düşünelim. Bu olayın yakın çekimi bir kamera ile kaydedilip tersten oynatılırsa, yine de aynı denklemle temsil edilebilir. Ayrıca üzerinde oynanmışsa kayıttan ayırt edilmesi de mümkün değildir. Her iki versiyon da makul görünüyor. Bilardo toplarının sezgisel zaman duygusuna meydan okuduğu görülüyor.
Ancak, piramidi kıran bir isteka topunun kaydedildiğini, bilardo toplarının her yöne dağıldığını hayal edin. Bu durumda, gerçek hayat senaryosunu ters oynatmadan ayırt etmek kolaydır. İkincisinin bu kadar saçma görünmesini sağlayan şey, termodinamiğin ikinci yasasına dair sezgisel anlayışımızdır – yalıtılmış bir sistem ya statik kalır ya da düzen yerine kaos durumuna doğru gelişir.
Diğer fizik yasalarının çoğu, yuvarlanan bilardo toplarının bir piramit haline gelmesini, demlenmiş çayın çay poşetine geri akmasını veya bir yanardağın tersine “patlamasını” engellemez. Ancak bu fenomenler gözlemlenmez, çünkü ikinci yasaya aykırı olan herhangi bir dış müdahale olmaksızın daha düzenli bir duruma geçmek için izole bir sisteme ihtiyaç duyarlar. Bu yasanın doğası tam olarak açıklanmadı, ancak araştırmacılar arkasındaki temel ilkeleri anlamada büyük ilerleme kaydettiler.
Spontan zamanın tersine çevrilmesi
MIPT’den kuantum fizikçileri, zamanın en azından tek bir parçacık için ve bir saniyenin küçük bir kısmı için kendiliğinden tersine dönüp dönmediğini kontrol etmeye karar verdiler. Yani bilardo toplarıyla çarpışmak yerine, boş yıldızlararası uzayda tek bir elektronu incelediler.
“Gözlemeye başladığımızda elektronun lokalize olduğunu varsayalım. Bu, uzaydaki konumundan oldukça emin olduğumuz anlamına gelir. Kuantum mekaniğinin yasaları, onu mutlak bir kesinlikle bilmemizi engeller, ancak elektronun lokalize olduğu küçük bir bölgenin ana hatlarını çizebiliriz.” diyor, MIPT ve ETH Zürih’ten çalışmanın ortak yazarı Andrey Lebedev.
Fizikçiler, elektron durumunun evriminin Schrödinger denklemi tarafından yönetildiğini açıklıyor. Gelecek ve geçmiş arasında bir ayrım yapmasa da elektronun bulunduğu uzay bölgesi çok hızlı bir şekilde yayılacaktır. Yani, sistem daha kaotik olma eğilimindedir. Elektronun konumunun belirsizliği artıyor. Bu, termodinamiğin ikinci yasası nedeniyle büyük ölçekli bir sistemdeki (bilardo masası gibi) artan düzensizliğe benzer.
ABD’deki Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndan makalenin ortak yazarı Valerii Vinokur, “Ancak, Schrödinger’in denklemi tersine çevrilebilir” diye ekliyor. “Matematiksel olarak, bu, karmaşık konjugasyon adı verilen belirli bir dönüşüm altında, denklemin, aynı zaman diliminde küçük bir uzay bölgesinde lokalize olan ‘bulaşmış’ bir elektronu tanımlayacağı anlamına gelir.” Bu fenomen doğada gözlemlenmese de teorik olarak evrene nüfuz eden kozmik mikrodalga fonundaki rastgele bir dalgalanma nedeniyle gerçekleşebilir.
Ekip, yakın geçmişine kendiliğinden lokalize olan bir saniyenin çok kısa bir bölümünde “bulaşmış” bir elektronu gözlemleme olasılığını hesaplamak için yola çıktı. Evrenin tüm ömrü boyunca (13.7 milyar yıl) bile, her saniyede 10 milyar yeni lokalize elektron gözlemlendiğinde, parçacığın durumunun tersine evriminin yalnızca bir kez gerçekleşeceği ortaya çıktı. Ve o zaman bile, elektron geçmişe saniyenin on milyarda birinden daha fazla seyahat etmeyecekti.
Bilardo toplarını ve volkanları içeren büyük ölçekli fenomenler, açıkça çok daha büyük zaman ölçeklerinde ortaya çıkıyor ve şaşırtıcı sayıda elektron ve diğer parçacıklar içeriyor. Bu, neden yaşlıların gençleştiğini veya mürekkep lekesinin kağıttan ayrıldığını gözlemlemediğimizi açıklıyor.
Talep üzerine zamanı tersine çevirmek
Araştırmacılar daha sonra dört aşamalı bir deneyde zamanı tersine çevirmeye çalıştılar. Bir elektron yerine, süper iletken kübitler olarak adlandırılan iki ve daha sonra üç temel elementten oluşan bir kuantum bilgisayarın durumunu gözlemlediler.
- Aşama 1: Düzen. Her kübit, sıfır olarak gösterilen temel durumda başlatılır. Bu son derece düzenli konfigürasyon, küçük bir bölgede lokalize bir elektrona veya moladan önce bir dizi bilardo topuna karşılık gelir. Bu son derece düzenli konfigürasyon, küçük bir bölgede lokalize bir elektrona veya çarpışmadan önce bir dizi bilardo topuna karşılık gelir.
- Aşama 2: Bozulma. Düzen kaybolur. Tıpkı elektronun uzayın giderek daha geniş bir bölgesine yayılması veya bilardo masasındaki üçgenin kırılması gibi, kübitlerin durumu da her zamankinden daha karmaşık bir değişen sıfırlar ve birler modeli haline gelir. Bu, evrim programını kuantum bilgisayarda kısaca başlatarak elde edilir. Aslında, benzer bir bozulma, çevre ile etkileşimler nedeniyle kendiliğinden meydana gelecektir. Bununla birlikte, kontrollü otonom evrim programı, deneyin son aşamasını mümkün kılacaktır.
- Aşama 3: Zamanın tersine çevrilmesi. Özel bir program, kuantum bilgisayarın durumunu, daha sonra “geriye”, kaostan düzene doğru gelişecek şekilde değiştirir. Bu işlem elektron durumundaki rastgele mikrodalga arka plan dalgalanmasına benzer, ancak bu sefer kasıtlı olarak indüklenmiştir. Açıkça uzak – Bilardo örneği için getirilen benzetme, masaya mükemmel bir şekilde hesaplanmış bir vuruş veren biri olabilir.
- Aşama 4: Rejenerasyon. İkinci aşamadaki evrim programı yeniden başlatılır. “Güçlü etki”nin başarılı bir şekilde iletilmesi koşuluyla, program daha fazla kaosa yol açmaz, bunun yerine kübitlerin durumunu geçmişe döndürür, bulaşmış bir elektronun lokalize edilme şekli veya bilardo toplarının yörüngelerini ters oynatmada geriye doğru izlemesi ve sonunda bir üçgen oluşturması.
Araştırmacılar, vakaların %85’inde iki kübitlik kuantum bilgisayarının ilk durumuna geri döndüğünü buldu. Üç kübit söz konusu olduğunda, daha fazla hata meydana geldi ve bu da kabaca %50’lik bir başarı oranıyla sonuçlandı. Yazarlara göre, bu hatalar gerçek kuantum bilgisayardaki kusurlardan kaynaklanmaktadır. Daha karmaşık cihazlar tasarlandıkça, hata oranının düşmesi bekleniyor.
İlginç bir şekilde, zamanı tersine çevirme algoritmasının kendisi, kuantum bilgisayarları daha hassas hale getirmek için faydalı olabilir. Lebedev, “Algoritmamız güncellenebilir ve kuantum bilgisayarlar için yazılmış programları test etmek ve gürültü ve hataları ortadan kaldırmak için kullanılabilir” dedi. [1]Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer[2]Öne çıkarılan görsel
[cite]
Kaynaklar ve İleri Okuma
| ↑1 | Arrow of time and its reversal on the IBM quantum computer |
|---|---|
| ↑2 | Öne çıkarılan görsel |
