科学者たちは量子コンピュータの中で時間を逆転させる


時間は一方向に進みます。男の子は老人になるが、その逆はしない。茶碗は粉々になりますが、自然に再組み立てすることはありません。 「時の矢」と呼ばれる宇宙のこの残酷で不変の性質は基本的に熱力学の第二法則の結果であり、それは系が常に時間の経過と共により無秩序になる傾向があることを指示します。しかし、最近、アメリカとロシアの研究者たちは、その矢を少しだけ曲げてきました – 少なくとも素粒子のために。

Scientific Reports誌の火曜日(3月12日)に発表された新しい研究では、研究者たちは、量子ビットとして知られる、計算を実行する2つの量子粒子で作られた非常に小さな量子コンピュータを使って時間の矢を操作しました。 [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]

量子力学の奇妙な法則が揺らいでいるサブアトミックスケールでは、物理学者は波動関数と呼ばれる数学的構造を通してシステムの状態を記述します。この関数は、システムが存在する可能性があるすべての状態(粒子の場合も含む可能性があるすべての場所)と、システムが任意の時点でこれらの状態のいずれかにある可能性を表現したものです。 。一般に、時間が経つにつれて波動関数は広がります。あなたが5分待つよりもあなたが1時間待つならば、粒子の可能な場所はさらに遠くにあることができます。

波動関数の広がりを元に戻すことは、こぼれた牛乳を瓶に戻すことを試みるようなものです。しかしそれこそまさに研究者がこの新しい実験で成し遂げたものです。

イリノイ州アルゴンヌ国立研究所の物理学者、主任研究員のValerii Vinokur氏は「基本的にこれだけで起こる可能性はない」とLive Scienceに語った。 「猿にタイプライターと長い時間を与えると、彼はシェイクスピアを書くかもしれない、と言っているようなものです。」言い換えれば、それは技術的には可能ですが、不可能ではないかもしれません。

科学者たちはどうして本質的に不可能なことを起こさせたのでしょうか。実験を注意深く制御することによって。

シドニー大学の物理学教授、スティーブン・バートレット氏は「サイカップの壊れた部分をすべて一緒に戻すためには、多くの制御が必要です。」とLive Scienceに語った。バートレットはこの研究に関与していなかった。 「それを実現するには、システムを細かく制御する必要があります。量子コンピュータとは、シミュレートされた量子システムを大量に制御できるようにするものです。」

研究者たちは量子計算機を使って単一の粒子をシミュレートし、その波動関数は池の波紋のように時間の経過とともに広がります。それから、彼らは、波動関数のすべての単一成分の時間発展を逆転させるアルゴリズムを量子コンピュータに書き、本質的にその波紋をそれを作り出した粒子に引き戻しました。彼らはエントロピーや宇宙の他の場所での無秩序を増やすことなくこの偉業を成し遂げました。

これは研究者がタイムマシンを作ったということですか?彼らは物理学の法則に違反しましたか?答えはこれらの質問の両方にはありません。熱力学の第二法則は、宇宙の秩序は時間の経過とともに減少しなければならないと言っていますが、それが非常に特別な場合に同じになることは決してないというわけではありません。そしてこの実験は十分に小さく、十分に短く、そして十分に制御されていて、宇宙はエネルギーを獲得も損失もしなかった。

Vinokur氏は、「波が発生した後は、波を池に送り返すのは非常に複雑で複雑だ」と述べた。言い換えれば、彼らが時間の効果を元に戻すために量子コンピュータによって彼らに与えられた制御を使ったとき、それは可能でした。

プログラムの実行後、システムは85%の時間で元の状態に戻りました。しかし、3番目のキュビットが導入されたとき、実験は50%の時間しか成功しませんでした。研究者たちは、システムの複雑さは第3量子ビットと共に大きくなりすぎて、量子コンピュータがシステムのあらゆる側面を制御することを難しくしていると述べた。その制御なしでは、エントロピーを抑制することはできず、したがって時間反転は不完全です。それでも、彼らは次のステップでより大きなシステムとより大きな量子コンピュータを目指している、とVinokurはLive Scienceに語った。

ニューハンプシャー州ダートマス大学の物理学教授で、研究には関与していなかったJames Whitfield氏は、「この研究は物理学の基礎に対する素晴らしい貢献である」とLive Scienceに語った。 「量子コンピューティングのすべてのアプリケーションが、興味深いものになるようにアプリケーション指向である必要があるわけではないことを思い出してください。」

「これこそ、私たちが量子コンピュータを構築している理由です」とBartlett氏は述べています。 「これは、量子コンピュータによって、現実の世界では起こらないはずのことをシミュレートできることを示しています。」

もともと公開されて ライブサイエンス