Cofnęli czas bez wehikułu. Wystarczył pomiar kwantowy

Udało się cofnąć czas. I to bez konieczności budowania wehikułu. Wystarczył jeden sprytny trik z pomiarem kwantowym.

Na co dzień kierunek czasu rozpoznajemy bez większego wysiłku. Gorąca kawa stygnie, dym rozprasza się w pokoju, a bałagan zwykle robi się sam, podczas gdy porządek wymaga od nas pracy. Za tym stoi entropia, czyli miara nieuporządkowania albo liczby możliwych stanów układu. Entropia zwykle rośnie, dlatego przeszłość i przyszłość nie wyglądają symetrycznie.

Problem jednak w tym, iż wiele podstawowych równań fizyki działa dobrze w obie strony czasu. jeżeli odwrócimy kierunek ruchu cząstek w idealnym, mikroskopowym opisie, matematyka często przez cały czas się zgadza. Asymetria pojawia się dopiero wtedy, gdy patrzymy na większe układy, utratę informacji i nieodwracalne procesy.

W mechanice kwantowej dodatkowym źródłem asymetrii jest sam akt obserwacji. Pomiar kwantowy nie jest zwykłym podglądaniem obiektu, jak przy patrzeniu na kamień przez lupę. W świecie kwantowym sam akt pomiaru zmienia stan układu. Cząstka może wcześniej istnieć w superpozycji, czyli w stanie opisującym kilka możliwych wyników naraz, a po pomiarze zostaje tylko jeden konkretny rezultat.

Jak pisaliśmy w tekście: Stworzyli miniaturowy Wszechświat. I coś niepokojącego zaczęło dziać się z czasem, fizycy coraz częściej badają czas nie jako neutralne tło zdarzeń, ale jako coś, co może wyłaniać się z relacji między elementami układu. Nowa praca idzie w podobnym kierunku, bo pyta, czy kierunek czasu w mikroskali można nie tylko opisywać, ale także aktywnie kształtować.

Pomiar zwykle psuje układ. Tu stał się narzędziem

Zespół fizyków z Los Alamos National Laboratory opracował protokoły kontroli, które łączą pomiary z bardzo precyzyjnym sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie zwrotne oznacza, iż układ jest mierzony, wynik pomiaru jest analizowany, a potem na tej podstawie natychmiast dobiera się kolejne działanie. To trochę jak stabilizacja lotu drona, tylko przeniesiona do świata kwantowego i zapisana w języku pól, impulsów oraz stanów cząstek.

Kluczowym pojęciem jest tutaj Hamiltonian. W fizyce to matematyczny opis energii układu i tego, jak będzie się on zmieniał w czasie. W tym przypadku badacze zaprojektowali taki zestaw sterujących pól i impulsów, który może kompensować zaburzenia wywołane pomiarem, wzmacniać je albo choćby przesadzać w drugą stronę.

Sam efekt jest wprost niezwykły. Układ kwantowy może przechodzić przez trajektorie, czyli kolejne stany, które statystycznie bardziej pasują do procesu biegnącego wstecz niż do zwykłego procesu do przodu. Mówiąc prościej, fizycy nie cofają całego Wszechświata, ale potrafią tak pokierować małym układem, by jego zachowanie wyglądało jak odtworzenie procesu od końca.

To kluczowa różnica. Nie chodzi o cofanie wydarzeń ani odwracanie skutków w naszym codziennym świecie. Zamiast tego badacze próbują zrozumieć, jak w układach kwantowych powstaje wrażenie upływu czasu i czy da się je kontrolować w ograniczonym zakresie.

Demon Maxwella wraca w wersji kwantowej

W tle tej całej, niezwykle ciekawej historii pojawia się stary eksperyment myślowy znany jako demon Maxwella. W XIX w. James Clerk Maxwell wyobraził sobie istotę, która potrafi sortować szybkie i wolne cząsteczki gazu. Gdyby robiła to idealnie, mogłaby sprawić, iż jedna część układu staje się gorętsza, a druga chłodniejsza, jakby entropia malała wbrew naturalnemu porządkowi.

Demon Maxwella nie jest oczywiście prawdziwym stworzeniem, ale sposobem myślenia o informacji, energii i entropii. Późniejsza fizyka pokazała, iż drugiej zasady termodynamiki nie da się tak łatwo oszukać, bo zdobywanie, przechowywanie i kasowanie informacji też ma koszt.

Nowy pomysł przypomina trochę kwantową wersję tego demona. System korzysta z informacji o stanie układu i wynikach pomiarów, by wymusić nietypowy przebieg procesu. Pomiar, który zwykle jest źródłem zaburzenia, staje się paliwem do sterowania.

I tu pojawia się niezwykle praktyczny trop. Autorzy pokazują, iż z takiego monitorowania można potencjalnie wydobywać użyteczną energię. Nie chodzi o darmową energię znikąd, ale o wykorzystanie energii wprowadzanej do układu przez sam proces pomiaru. W teorii mogłoby to prowadzić do tzw. silników pomiarowych albo kwantowych baterii, czyli urządzeń magazynujących energię w stanach kwantowych.

To może pomóc komputerom kwantowym

Najbliższe zastosowania wcale nie muszą dotyczyć czasu jako filozoficznej zagadki. Dużo bardziej przyziemny problem to dekoherencja, czyli sytuacja, w której układ kwantowy traci swoje delikatne adekwatności przez kontakt z otoczeniem. Dla komputerów kwantowych to jeden z największych kłopotów, bo kubity muszą zachować spójność wystarczająco długo, żeby dało się na nich coś policzyć.

Kubit to kwantowy odpowiednik klasycznego bitu, ale nie jest po prostu zerem albo jedynką. Może znajdować się w superpozycji stanów, co daje komputerom kwantowym ich niezwykły potencjał. Tyle iż ta superpozycja jest krucha. Każdy niekontrolowany kontakt z otoczeniem może zamienić kwantową informację w zwykły szum.

Jeżeli da się lepiej odwracać albo kompensować skutki pomiaru i kontaktu z otoczeniem, można wyobrazić sobie nowe metody przygotowywania stanów kwantowych oraz ochrony obliczeń. Nie oznacza to od razu komputera kwantowego na biurku, który naprawia własne błędy jak edytor tekstu literówki. Oznacza raczej kolejny element bardzo trudnej układanki: jak utrzymać kontrolę nad układem, który z natury jest probabilistyczny i wrażliwy.

Jak pisaliśmy w tekście: Polska mapa kwantowa może się powiększyć. Na stole plan za 50 mln zł, komputery kwantowe nie są po prostu szybszymi pecetami. Wymagają zupełnie innego podejścia do informacji, błędów i pomiaru. Właśnie dlatego prace nad kontrolą strzałki czasu mogą kiedyś przełożyć się na bardziej stabilne układy obliczeniowe.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI