Tutkijat saivat ajan kulkemaan taaksepäin kvanttitasolla – ja tämä voi mullistaa fysiikan

Istu alas. Tämä on sellainen juttu.

Los Alamosin kansallisesta laboratoriosta tulee tutkimusryhmä, joka on onnistunut kääntämään ajan suunnan Kwanttitiloissa. Ei kuvitteellisesti. Ei "tuntuu kuin eilinen olisi huominen" -tyyppisesti. Oikeasti, aidosti käännetty ajan nuoli.

Tutkimus on julkaistu Physical Review X -lehdessä, jos haluat syventyä yksityiskohtiin. Mutta rehellisesti? Perusartikkeli on niin tiheä, että silmäsi risteytyvät. Puretaan juttu ymmärrettävään muotoon.

Mitä ihmeen "ajan nuoli" oikein tarkoittaa?

Tiedät sen tunteen kun munakorvannutta ei saa takaisin kokonaiseksi? Kun maito valuu aina lattialle, ei koskaan takaisin käteen? Siinä se on – ajan nuoli. Universaali sääntö, jonka mukaan asiat etenevät yhteen suuntaan ja vain yhteen.

Arkitasolla tämä on täysin loogista. Kaikki liikkuu kohti epäjärjestystä. Fyysikot kutsuvat tätä entropiaksi, ja kyllä, se liittyy samaan entropiaan jonka äiti mainitsee termodynamiikkavalituksissaan.

Mutta tässä on asia, jota sinulle ei kerrota lukion fysiikassa: mikroskooppisella tasolla, yksittäisten hiukkasten ja atomien maailmassa, säännöt ovat täysin erilaiset. Fyysiikan perusyhtälöt eivät oikeasti välitä siitä, kumpaan suuntaan aika kulkee. Käännä suunta, ja matematiikka toimii kummassakin tapauksessa. Hienoa, eikö?

Mitä tutkijat sitten oikein tekivät?

Ryhmä kehitti uusia hallintamenetelmiä, jotka mahdollistavat ajan virtauksen muokkaamisen kvanttijärjestelmissä. He pystyvät tukahduttamaan normaalin "aika eteenpäin" -käyttäytymisen, ja joissain tapauksissa jopa kääntämään sen.

Ajattele asiaa näin: kuvittele, että katsot videota kvanttihiukkasten pomppiessa ympäriinsä. Normaalisti näet niiden seuraavan tiettyä reittiä. Näiden uusien menetelmien avulla tutkijat voivat saada hiukkaset näyttämään siltä kuin ne seuraisivat reittiä, joka on järkevä vain silloin kun aika kulkee taaksepäin.

Tämä temppu onnistui yhdistämällä kvanttimeasurementit takaisinkytkentäohjaukseen. Kun mittaat kvanttijärjestelmää, se todella muuttaa järjestelmää – toisin kuin klassisessa fysiikassa, jossa mittaaminen tarkoittaa lähinnä katsomista. Tiimi keksi, miten tuota häiriötä voi käyttää strategisesti. Vähän kuin tietäisi, kuinka kovaa pitää potkia keinu saadakseen sen heilumaan juuri oikealla korkeudella.

He loivat niin kutsutun "ohjaushamiltonilaisen" – käytännössä huolellisesti suunnitellun kenttien ja pulssien sarjan, joka pystyy kumoamaan, vahvistamaan tai jopa ylikorjaamaan mittausten vaikutuksia. Tuloksena? Kvanttipolut, jotka vastaavat venytettyjä, sumentuneita tai aidosti käänteisiä ajan nuolia.

Sisään Maxwellin demoni

Tässä kohtaa homma alkaa todella kiinnostaa. Tutkijat rakensivat käytännössä kvanttimekaniikan version kuuluisasta 1800-luvun ajatuskokeesta.

Maxwell kuvitteli hypoteettisen "demonin", joka pystyi lajittelemaan kuumia ja kylmiä hiukkasia laatikossa, näennäisesti vähentäen entropiaa ja rikkoen termodynamiikan toista lakia. Tietenkin myöhemmät fyysikot tajusivat, että toinen laki on turvassa – demonin informaationkäsittelyn "kustannus" tasapainottaa kaiken.

Mutta Los Alamosin tiimi loi kvanttimekaniikan version tästä demonista. Heidän järjestelmänsä käyttää tietoa kvanttilosta tuottaakseen vastaavaa entropiaa uhmaavaa käyttäytymistä, kääntäen tehokkaasti ajan luonnollisen nuolen kyseisten hiukkasten kohdalla.

Tässä tulee käytännöllinen puoli: energiaa mittauksista

Ja nyt osa, joka saa mielikuvitukseni laukkaamaan: tutkijat osoittivat, että kvanttimeasurementeista voi saada käyttökelpoista energiaa suoraan.

Pysähdy miettimään tätä hetkeksi. Pelkästään kvanttihiukkasia tarkkailemalla voi potentiaalisesti korjata energiaa. Heidän mittausmoottorinsa pystyy muuttamaan kvanttijärjestelmän havainnoinnista aiheutuvan häiriön hyödylliseksi työksi.

Heidän viitekehyksessään kvanttimeasurementit eivät ole passiivisia havaintoja – ne ovat termodynaaminen resurssi, jota voi hyödyntää. Energiaa, jonka voisi potentiaalisesti varastoida johonkin, jota he kutsuvat "kvanttparistoksi".

Mitä tämä kaikki tarkoittaa meistä muista?

No, en ole väittämässä, että tällä olisi välitöntä sovellusta arjessasi. Puhutaan suprajohtavista kubiteista ja äärimmäisen tarkasta laboratorionhallinnasta. Mutta implikaatiot ovat aidosti jännittäviä.

Parempi kvanttiloston valmistus voisi tarkoittaa vakaampia kubitteja kvanttitietokoneisiin. Energian talteenotto kvanttijärjestelmistä voisi avata kokonaisia uusia rintamia termodynamiikassa. Ja perustavanlaatuisesti: ajan nuolen ymmärtäminen tällä tasolla saattaa auttaa meitä lopulta siltaamaan kuilu kvanttifysiikan ja yleisen suhteellisuusteorian välillä – yksi suurimmista ratkaisemattomista ongelmista koko fysiikassa.

Tiimi aikoo esitellä nämä tekniikat kokeellisesti suprajohtavia kubitteja käyttäen, jotka ovat jo suosittuja kvanttilaskennan tutkimuksessa. Joten odota kuulevasi lisää tästä aiheesta tulevien vuosien aikana.

Oma näkemykseni

Ollaan rehellisiä: kun ensimmäisen kerran luin tästä, ajattelin "siistii, mutta mitä tämä oikeastaan tarkoittaa?" Kaivettuani tutkimusta syvemmälle olen edelleen hieman pyörällä päästä, mutta parhaalla mahdollisella tavalla.

On jotain syvästi nöyryyttävää siinä, että katsoo tutkijoita muokkaamassa jotain niin perustavanlaatuista kuin ajan suunta. Olemme käyttäneet vuosisatoja yrittäessämme ymmärtää aikaa, ja nyt tutkijat muokkaavat sen nuolta kuin säätäisivät kaukoputkea.

Olipa tämä sitten askel kohti itseään latautuvia kvanttparistoja, tietokoneita jotka ajattelevat tavalla jota emme ymmärrä, tai vain syvempää ymmärrystä todellisuuden outouksista – olen mukana. Fysiikka löytää jatkuvasti uusia tapoja muistuttaa meitä siitä, että todellisuus on paljon oudompi ja joustavampi kuin arkijärkemme antaa ymmärtää.

Ehkä aika ei olekaan se jäykkä joki joksi olemme sen kuvitelleet. Ehkä se on enemmänkin like-se-itse-seikkailukirja – ja me olemme vasta oppimassa mitä polkuja on tarjolla.