Како што истакнува главниот автор на трудот, Горди Лешовик, кој ја води Лабораторијата за физика на квантната информатичка технологија на МИФТ – "Овој труд е само еден од серијата трудови посветени на можноста за прекршување на вториот закон за термодинамика. Законот е тесно поврзан со поимот на стрела на времето којашто го претставува еднонасочниот правец на времето од минато кон иднина".

Зошто иднината се разликува од минатото

Повеќето физички закони не прават разлика помеѓу иднината и минатото. Како пример да земеме една равенка којашто го опишува судирот и враќањето на две идентични билијард-топки. Ако овој настан се сними одблиску со камера и потоа се репродуцира наназад, истата равенка сè уште точно ќе го опишува настанот. Освен тоа, ако снимката е манипулирана дури и од нејзе ќе биде невозможно да се направи разлика за тоа кога е направена. Обете верзии ќе изгледаат веродостојно и навидум билиардските топки ќе пркосат на праволиниското време.

Сега, замислете снимка каде белото топче ја разбива пирамидата, топчињата се движат во сите правци на масата за билијард. Во овој случај, многу лесно ќе може да ја разликуваме случката во реалниот живот од онаа во обратната репродукција. Она што вториот случај го прави да изгледа апсурдно е нашето интуитивно разбирање на вториот закон на термодинамиката – изолираниот систем или останува статичен или се развива кон состојба на хаос наместо на ред.

Повеќето други физички закони не го спречуваат тркалањето на билијардските топки наназад во пирамида, потопениот чај да се врати назад во кесичката, или вулканот да еруптира во обратна насока. Но, вакви феномени не се случуваат, бидејќи тие бараат еден изолиран систем да премине во посредена состојба без никаква надворешна интервенција, што е спротивно на вториот закон на термодинамиката. Природата на овој закон не е целосно објаснета, но истражувачите постигнаа голем напредок во разбирањето на основните принципи на коишто тој се темели.

Спонтано враќање на времето

Квантните физичари од МИФТ се решија да проверат дали времето може спонтано да се врати наназад, барем за една индивидуална честичка и за мал дел од секундата. Но, наместо да си играат билиjaрд, тие ја испитуваа можноста на еден единствен електрон во празниот меѓуѕвезден простор.

"Да претпоставиме дека електронот е локализиран во моментот кога започнуваме со набљудувањето, што значи дека сме мошне сигурни за неговата позиција во вселената. Законите на квантната механика нè спречуваат со апсолутна прецизност да ја дефинираме позицијата, но можеме да го издвоиме малиот регион каде што е локализиран електронот ", вели коавторот на студијата Андреј Лебедев од МИФТ и ЕТХ Цирих.

Физичарот објаснува дека еволуцијата на состојбата на електронот се опишува преку Шредингеровата равенка. Иако таа не прави разлика помеѓу иднината и минатото, делот на просторот што го содржи електронот ќе се прошири многу брзо. Односно, системот има тенденција да стане похаотичен. Неизвесноста на позицијата на електронот расте. Ова е аналогно на растечкото нарушување во еден голем систем коешто се должи на вториот закон на термодинамиката.

"Сепак, Шредингеровата равенка е реверзибилна", додава Валериј Винокур, коавтор на трудот од Националната лабораторија Аргон, во САД. "Математички, ова значи дека при одредена трансформација, наречена комплексна конјугација, равенката ќе опише "нејасна" локализација на електронот назад во малиот дел од просторот во текот на истиот временски период." Иако овој феномен не е забележан во природата, теоретски може да се случи, поради случајната флуктуација во космичкото микробраново заднинско зрачење што го преплавува универзумот.

Тимот се обидел да ја пресмета веројатноста за набљудување на електронот со "нејасен приказ" за дел од секундата, спонтано локализирајќи го во неговото неодамнешно минато. Се покажа дека дури за време на целиот животен век на универзумот, во текот на 13,7 милијарди години, ако се набљудуваат 10 милијарди “свежо” локализирани електрони во секоја секунда, деволуцијата на состојбата на честичката ќе се случи само еднаш. А дури и тогаш, електронот ќе се врател помалку од десет милијардити дел од секундата назад во минатото.

Феномените коишто би се случувале во макросветот, како пукање на балон од мастика или разбивање на триаголникот топчиња за билијард, очигледно се одвиваат во многу поголеми временски рокови и вклучуваат зашеметувачки голем број на електрони и други честички. Ова објаснува зошто не можеме да видиме случаи на старци кои стануваат сè подмлади или, пак, случаи каде мастилото “скока” од хартијата назад во пенкалото.

Враќање на времето по нарачка

Истражувачите потоа се обиделе да го вратат времето назад во четирифазен експеримент. Наместо електрони, ја набљудувале состојбата на квантниот компјутер направен од два, а потоа и од три основни елементи наречени суперспроводливи кубити.

• Фаза 1: Ред. Секој кубит се иницијализира во основната состојба, означена како нула. Оваа високо подредена конфигурација одговара на електрон локализиран во мал регион, или на триаголникот билијардски топки пред да се зададе почетниот удар.

• Фаза 2: Деградација. Редот е нарушен. Слично како што електронот е со нејасно присуство на поголем реон во просторот, или како што топчињата билијард  се растураат по задавањето на почетниот удар, состојбата на кубитите станува сé покомплексна променлива шема од нули и единици. Ова се постигнува со кратко иницирање на програмата за еволуција на квантниот компјутер. Всушност, слична деградација би појавила и спонтано, поради интеракциите со околината. Сепак, контролираната програма за автономна еволуција ќе ја овозможи последната фаза од експериментот.

• Фаза 3: Враќање на времето. Посебна програма ја модифицира состојбата на квантниот компјутер на таков начин што таа потоа ќе се развива "наназад" – од хаос кон ред. Оваа операција е слична на случајната флуктуација на микробрановото заднинско зрачење во случајот со електронот, но овојпат таа е поттикната намерно. Во макро-светот на билијардските топки, ова би значело задавање на совршено пресметан удар во триаголникот топчиња на масата за билијард.

• Фаза 4: Регенерација. Програмата за еволуција од втората фаза се пушта повторно. Доколку "ударот" е успешно испорачан, програмата не резултира со поголем хаос, туку ја враќа состојбата на кубити назад во минатото, слично на процесот на локализација на “разнесениот” електрон, или пак враќање на топчињата за билијард во почетната положба во којашто формираат триаголник.

Истражувачите откриле дека во 85 проценти од случаите, двокубитниот квантен компјутер се вратил во почетната состојба. Кога биле вклучени три кубити, се случувале повеќе грешки, што резултирало со успешност од приближно 50%. Според авторите, овие грешки се должат на несовршеностите во вистинскиот квантен компјутер. Со создавањето на пософистицирани уреди, стапката на грешка се очекува да се намали.

Интересно е тоа што самиот алгоритам за враќање може да се покаже корисен при конструирањето на попрецизни квантни компјутери. "Нашиот алгоритам може да се ажурира и да се употреби за тестирање програмите напишани за квантни компјутери, при што би се елиминирал шумот и грешките", објасни Лебедев.