Experimentieren Sie mit einem Quantencomputer zur „umgekehrten Zeit“, um den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik herauszufordern

Eine Gruppe unternehmungslustiger Quantenphysiker hat die Wahrnehmung in Frage gestellt, dass der Zeitpfeil nur in eine Richtung verläuft. In einem Experiment werden Qubits verwendet, um den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in Frage zu stellen.

Forscher aus der ganzen Welt - darunter Institute in Moskau, den USA und der Schweiz - haben zusammengearbeitet, um den Zustand eines Quantencomputers im Bruchteil einer Sekunde zurück in die Vergangenheit zu bringen. Sie berechneten auch die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron im leeren Raum in seine jüngere Vergangenheit zurückkehren wird.

Die Studie ist Teil einer Reihe von Arbeiten, in denen die Möglichkeit untersucht wird, gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu verstoßen, und die eng miteinander verbundene Auffassung, dass der Zeitpfeil nur von der Vergangenheit in die Zukunft weist.

Gordey Lesovik, Leiter des Labors für Physik der Quanteninformationstechnologie am Moskauer Institut für Physik und Hauptautor der Zeitung, erklärt: „Wir haben zunächst eine so genannte lokale perpetuale Bewegungsmaschine zweiter Art beschrieben. Dann, im Dezember, veröffentlichten wir ein Papier, in dem die Verletzung des zweiten Gesetzes über ein Gerät namens Maxwells Dämon diskutiert wird.

"In der jüngsten Veröffentlichung wird das gleiche Problem aus einem dritten Blickwinkel angesprochen: Wir haben künstlich einen Zustand geschaffen, der sich entgegengesetzt zum thermodynamischen Zeitpfeil entwickelt."

Zukunft von der Vergangenheit unterscheiden

Die meisten Gesetze der Physik unterscheiden tatsächlich nicht wirklich zwischen der Zukunft und der Vergangenheit. Wenn zum Beispiel eine Gleichung die Kollision und den Rückprall von zwei identischen Billardkugeln beschreibt, wird sie immer noch das umgedrehte Ereignis beschreiben. Wenn das Ereignis aufgezeichnet wurde, konnten Sie der Aufnahme nicht entnehmen, in welche Richtung das Ereignis tatsächlich dargestellt wurde.

Beide Versionen sehen plausibel aus. Es scheint, dass die Billardkugeln dem intuitiven Zeitgeist trotzen.

Die vier Stufen des tatsächlichen Experiments auf einem Quantencomputer spiegeln die Stufen des Gedankenexperiments mit einem Elektron im Weltraum und die imaginäre Analogie mit Billardkugeln wider. Jedes der drei Systeme entwickelt sich zunächst von der Ordnung zum Chaos, aber eine perfekt zeitgesteuerte äußere Störung kehrt diesen Prozess um (@ tsarcyanide / MIPT Press Office).

Stellen Sie sich jedoch vor, dass jemand einen Spielball aufgenommen hat, der die Pyramide bricht. Die Billardkugeln streuen in alle Richtungen. Man muss die Spielregeln nicht kennen, um das reale Szenario von der Rückwärtswiedergabe zu unterscheiden. Was letztere so absurd aussehen lässt, ist unser intuitives Verständnis des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik - ein isoliertes System bleibt entweder statisch oder entwickelt sich eher in einen Zustand des Chaos als in die Ordnung.

Die meisten anderen Gesetze der Physik verhindern nicht, dass sich rollende Billardkugeln zu einer Pyramide zusammenfügen, oder dass Tee in den Teebeutel zurückfließt oder dass ein Vulkan in umgekehrter Richtung "ausbricht".

Offensichtlich sehen wir nichts davon. Dies würde dazu führen, dass ein isoliertes System einen geordneteren Zustand ohne Eingriffe von außen annehmen müsste, was dem zweiten Gesetz zuwiderläuft.

Die Natur dieses Gesetzes wurde nicht detailliert erklärt, aber die Forscher haben große Fortschritte beim Verständnis der zugrunde liegenden Prinzipien gemacht.

Spontane Umkehrung der Zeit

Anstatt sich mit Billardkugeln oder Vulkanen zu beschäftigen, versuchten die Physiker von MIPT zu prüfen, ob sich die Zeit spontan umkehren konnte, für ein einzelnes Teilchen und für den kleinsten Bruchteil einer Sekunde. Ein einzelnes Elektron im leeren interstellaren Raum.

Andrey Lebedev, Mitautor der Studie von MIPT und der ETH Zürich, sagt: «Nehmen wir an, das Elektron ist lokalisiert, wenn wir es beobachten. Dies bedeutet, dass wir uns ziemlich sicher sind, welche Position er im Weltraum hat.

"Die Gesetze der Quantenmechanik hindern uns daran, es mit absoluter Präzision zu kennen, aber wir können einen kleinen Bereich beschreiben, in dem das Elektron lokalisiert ist."

Die Entwicklung des Elektronenzustands wird durch die zeitunabhängige Schrödingers-Gleichung bestimmt, die nicht zwischen der Zukunft und der Vergangenheit unterscheidet. Der Raum, der das Elektron enthält, wird sich sehr schnell ausbreiten und wird chaotischer. Die Unsicherheit der Position des Elektrons nimmt zu. Dies ist analog zu der zunehmenden Unordnung in einem großen System - beispielsweise einem Billardtisch - aufgrund des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik.

Valerii Vinokur, Mitautor der Zeitung, vom Argonne National Laboratory, USA, fügt hinzu: „Schrödingers Gleichung ist jedoch reversibel. Mathematisch bedeutet dies, dass die Gleichung bei einer bestimmten Transformation, die als komplexe Konjugation bezeichnet wird, ein "verschmiertes" Elektron beschreibt, das sich über denselben Zeitraum in einem kleinen Raumbereich befindet.

die zeitunabhängige Schrödinger-Gleichung

Dieses Phänomen wird in der Natur nicht beobachtet, könnte aber theoretisch aufgrund einer zufälligen Schwankung des kosmischen Mikrowellenhintergrunds auftreten, die isotrop - gleichmäßig - im gesamten Universum verteilt ist.

Das Team wollte dann die Wahrscheinlichkeit berechnen, dass ein Elektron beobachtet wird, das innerhalb eines Sekundenbruchteils spontan in seine jüngste Vergangenheit lokalisiert wurde. Es stellte sich heraus, dass selbst wenn man die gesamte Lebensdauer des Universums - 13,7 Milliarden Jahre - verbrachte, jede Sekunde 10 Milliarden frisch lokalisierte Elektronen zu beobachten, die umgekehrte Entwicklung des Zustandes des Teilchens nur einmal vor sich gehen würde. Und selbst dann würde das Elektron nur eine Zehnmilliardstel Sekunde in die Vergangenheit reisen.

Phänomene im großen Maßstab, bei denen Billardkugeln, Vulkane usw. zum Einsatz kommen, entfalten sich offensichtlich in viel größeren Zeiträumen und zeigen eine erstaunliche Anzahl von Elektronen und anderen Teilchen. Dies erklärt, warum wir nicht beobachten, dass alte Menschen jünger werden oder sich ein Tintenfleck vom Papier löst.

Können wir die Zeit nach Bedarf umkehren?

Die Forscher versuchten dann, die Zeit in einem vierstufigen Experiment umzukehren. Anstelle eines Elektrons beobachteten sie den Zustand eines Quantencomputers, der aus zwei und später drei Grundelementen besteht, den sogenannten supraleitenden Qubits.

Die Forscher fanden heraus, dass der Zwei-Qubit-Quantencomputer in 85% der Fälle tatsächlich wieder in den Ausgangszustand zurückkehrte.

Bei drei Qubits traten mehr Fehler auf, was zu einer Erfolgsquote von etwa 50% führte. Nach Ansicht der Autoren sind diese Fehler auf Fehler im eigentlichen Quantencomputer zurückzuführen. Wenn komplexere Geräte entwickelt werden, wird erwartet, dass die Fehlerrate sinkt.

Interessanterweise könnte sich der Zeitumkehralgorithmus selbst als nützlich erweisen, um Quantencomputer genauer zu machen. Lebedev erklärt: "Unser Algorithmus könnte aktualisiert und verwendet werden, um für Quantencomputer geschriebene Programme zu testen und Rauschen und Fehler zu beseitigen."

Trotz dieser vielversprechenden Ergebnisse steht der Prozess noch am Anfang, und aufgrund des robusten zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik sind viele Wiederholungen dieser Studie und Variationen erforderlich, bevor sie als solide betrachtet werden.

Eine andere Alternative könnte sein, dass dies eine bisher unbekannte Eigenart in der Quantentheorie ist.

Ironischerweise wird nur die Zeit zeigen.

Ursprünglich bei Scisco Media veröffentlicht