دانشمندان موفق به معکوس کردن جریان زمان شدند!
پژوهشگران اتریشی با توسعه پروتکل بازپیچانی کوانتومی، توانستند بدون نیاز به دانستن تاریخچه سیستم، جریان زمان را برای ذرات معکوس کنند، دستاوردی که می‌تواند انقلابی در پردازش کوانتومی ایجاد کند.
تحریریه حرف مرد: دانشمندان نشان داده‌اند که سفر در زمان کوانتومی—یعنی معکوس یا جلو بردن حالت یک ذره—واقعی است.
در دنیای فیزیک کوانتومی، قوانین حاکم بر واقعیت به گونه‌ای رفتار می‌کنند که آنچه فکر می‌کنیم می‌دانیم را به چالش می‌کشد. ذرات می‌توانند همزمان در دو مکان باشند. کنش روی یک ذره می‌تواند بلافاصله بر ذرهٔ دیگر اثر بگذارد—حتی اگر فاصلهٔ میانشان بسیار زیاد باشد. تلپورتیشن علمی‌تخیلی نیست—بلکه بخشی از واقعیت جهان در کوچک‌ترین مقیاس است. اکنون، پژوهشگران پدیده‌ای حتی عجیب‌تر را به این مجموعه افزوده‌اند: سفر در زمان کوانتومی.
نه ماشین زمان به معنای کلاسیک داستان‌های علمی‌تخیلی؛ بلکه پیشرفتی در کنترل زمان درون سیستم‌های کوانتومی—ذراتی به قدری کوچک که فیزیک کلاسیک بر آنها خیلی کم اعمال می‌شود. گروهی از دانشمندان اتریشی نشان داده‌اند که می‌توان «سن» این ذرات را تندتر، آهسته‌تر، و حتی به عقب برگرداند؛ در واقع، زمان را برای آنها بازپیچانی کرد.
سوئیچ کوانتومی که همه‌چیز را تغییر می‌دهد
در مرکز این کار، دستگاهی هوشمند به نام سوئیچ کوانتومی قرار دارد. آن را مانند یک کنترل از راه دور برای ذرات کوانتومی تصور کنید. فیزیک کلاسیک مانند تماشای فیلم در سینما پیش می‌رود—از ابتدا تا انتها بدون توقف. اما سیستم‌های کوانتومی بیشتر شبیه تماشای فیلم در خانه هستند، جایی که می‌توان آن را جلو زد، به عقب برگرداند یا از صحنه‌ای گذر کرد.
پژوهشگران آکادمی علوم اتریش (ÖAW) در آزمایشگاه‌های مؤسسهٔ اپتیک و اطلاعات کوانتومی (IQOQI) کار می‌کنند. میگوئل ناواسکوس، از این آکادمی، این فرایند را به «داشتن کنترل بر خود زمان» تشبیه می‌کند: «می‌توانیم به صحنهٔ قبلی برگردیم یا چند صحنه جلو برویم.» این فقط یک نظریه نیست. به همراه فیلیپ والتر، فیزیکدان دانشگاه وین، آنها ایده‌های خود را با فوتون‌ها—ذرات نور—آزمایش کردند.
با استفاده از کریستال‌ها و یک آرایش بر پایهٔ سوئیچ کوانتومی، آنها فوتونی را در مسیری فرستادند و سپس با سوئیچ، آن را به حالت اولیه‌اش قبل از شروع مسیر بازگرداندند. این کار شاید ساده به نظر برسد، اما در دنیای مکانیک کوانتومی انقلابی است. معمولاً حتی مشاهدهٔ یک سیستم کوانتومی باعث تغییر آن می‌شود. شگفتی این کشف در این است که آنها توانستند سیستم را بدون دانستن هیچ چیز دربارهٔ آنچه برایش اتفاق افتاده، به عقب بازگردانند.
بازگرداندن زمان بدون دانستن آنچه گذشته است
این روش که «پروتکل بازپیچانی» نام دارد، به هر ذرهٔ کوانتومی—مانند الکترون یا فوتون—امکان می‌دهد به حالت پیشین خود بازگردد، حتی اگر آزمایشگر نداند آن حالت چه بوده یا چگونه ایجاد شده است. دیوید تریو، پژوهشگر دیگر از این تیم، نشان داد که این فرایند هم در نظریه و هم در عمل کار می‌کند.
والتر گفت: «این یکی از دشوارترین آزمایش‌هایی بود که تاکنون برای یک فوتون انجام داده‌ایم». اما نتیجه واضح بود: فوتون به حالت اصلی‌اش بازگشت، مثل اینکه دکمهٔ بازگشت یک ویدئو را بزنید بدون اینکه آن را تماشا کرده باشید.
این تیم به بازپیچانی بسنده نکرد. آنها دریافتند که می‌توان زمان را جلو هم برد. ناواسکوس توضیح داد: «برای اینکه یک سیستم در یک سال، ۱۰ سال پیر شود، باید ۹ سال دیگر را از جایی تأمین کنید.» در یک آزمایش، آنها از ۱۰ سیستم یکسان استفاده کردند. با «دزدیدن» یک سال عمر از هر کدام از ۹ سیستم نخست، همهٔ آن ۹ سال را به سیستم دهم دادند و آن را ظرف یک سال، ۱۰ سال پیر کردند.
پروتکل بازپیچانی: ابزاری جدید برای پردازنده‌های کوانتومی
این کشفیات به کسی امکان سفر به گذشته یا «بازگرداندن اشتباهات» در زندگی واقعی را نمی‌دهند. بدن انسان حاوی حجم عظیمی از اطلاعات است و بازگرداندن حتی یک ثانیه از زندگی یک فرد میلیون‌ها سال طول می‌کشد. اما هدف این پژوهش چیز دیگری است: بهبود توان و پایداری پردازنده‌های کوانتومی.
در رایانه‌های کوانتومی، داده‌ها در ذرات بسیار کوچک و حساس ذخیره می‌شوند و خطا به آسانی در آنها رخ می‌دهد. اگر بتوان سیستم را به عقب برگرداند و خطا را اصلاح کرد، زمان و انرژی زیادی صرفه‌جویی می‌شود.
والتر گفت: «ما مطمئنیم که این فناوری کاربردهای فناورانه خواهد داشت. مثلاً یک پروتکل بازپیچانی در پردازنده‌های کوانتومی می‌تواند برای معکوس کردن خطاها یا تغییرات ناخواسته به کار رود.» سایر اعضای تیم افزودند که نسخه‌های آینده می‌توانند فراتر از نور و حتی در سامانه‌های پیچیده‌تر ساخته شوند.
معکوس‌سازی زمان و شکستن محدودیت‌های کلاسیک
به طور معمول، زمان فقط رو به جلو حرکت می‌کند. این «پیکان زمان» که نخستین بار توسط اخترشناس آرتور ادینگتون توصیف شد، تابع قانون دوم ترمودینامیک است که می‌گوید همه‌چیز به طور طبیعی به سمت بی‌نظمی بیشتر می‌رود. اما این قانون آماری است و بر سیستم‌های کوچک الزاماً حاکم نیست.
در فیزیک کلاسیک، با روشی به نام «هم‌فازسازی معکوس» می‌توان برخی فرایندها را معکوس کرد. اما در مکانیک کوانتومی، نویز تصادفی معمولاً مانع می‌شود. سال‌هاست که دانشمندان می‌پرسند: آیا می‌توان زمان را برای یک سیستم کوانتومی، بدون دانستن هیچ چیز دربارهٔ آن، معکوس کرد؟
مطالعات گذشته پاسخ‌هایی ارائه داده‌اند، اما یا گاهی کار می‌کردند یا نیاز به دانستن جزئیات سیستم و روش‌های کند و پیچیده داشتند. پروتکل جدید متفاوت است: برای هر سیستم دوحالته (کیوبیت) کار می‌کند، نرخ موفقیت بالایی دارد و در زمان واقعی اجرا می‌شود. یعنی اگر سیستمی را پنج دقیقه به عقب ببرید، واقعاً پنج دقیقه طول می‌کشد.
عملگرهای کوانتومی و توهم ماشین زمان
در قلب این روش، یک ایدهٔ کلیدی از مکانیک کوانتومی نهفته است: ناهم‌مرکزی عملگرهای کوانتومی—یعنی ترتیب اعمال عملیات مهم است، برخلاف ریاضیات معمول. با استفاده از این اصل، دانشمندان آرایشی ایجاد کردند که در آن سیستم هدف در یک برهم‌نهی از مسیرهای زمانی مختلف تکامل می‌یابد.
هر مسیر شامل تغییرات جزئی ناشی از برهم‌کنش‌های فیزیکی شناخته‌شده است. با تداخل هوشمندانهٔ این مسیرها، آنها ذره را به حالت پیشین بازگرداندند، فارغ از اینکه چه مسیری طی کرده است. اگر مشکلی پیش می‌آمد، با استفاده از تصحیح خطا دوباره تلاش می‌کردند تا شانس موفقیت را بالا ببرند.
این آرایش از ذرات نور استفاده می‌کرد که با صفحات نیم‌موج و ربع‌موج دستکاری می‌شدند تا «هامیلتونی‌ها»ی متفاوتی—قوانینی که تعیین می‌کنند ذره چگونه در زمان تکامل می‌یابد—ایجاد شود. سپس، با سوئیچ‌های نوری سریع و سوئیچ کوانتومی، مسیرهای زمانی ترکیب شدند تا اثر بازپیچانی ایجاد شود.
همچنین بخوانید: کشف فرآیند تغییر سلول‌های ایمنی از حالت خفتگی به حالت حمله
موضوع فقط نظریه نیست—این علم واقعی است
نتایج این پژوهش بیش از یک ایدهٔ روی کاغذ است. تیم، روش خود را بر فرایندهای کوانتومی گوناگون آزمایش کرد و به دقت بازپیچانی بیش از ۹۵٪ رسید. این سطح از کنترل می‌تواند راه را برای استفادهٔ عملی از معکوس‌سازی زمان در فناوری‌ها باز کند.
پروتکل بازپیچانی می‌تواند به توسعهٔ رایانه‌های کوانتومی بهتر و روش‌های نوین کنترل حالت‌های کوانتومی در آزمایشگاه‌ها کمک کند. حتی ممکن است به درک بهتر ماهیت زمان در ژرف‌ترین بخش‌های فیزیک بینجامد.
با این حال، ناواسکوس واقع‌بین می‌ماند: «اگر بتوانیم انسانی را در جعبه‌ای با صفر تأثیر خارجی قرار دهیم، از نظر تئوری [بازپیچانی او] ممکن است، اما با پروتکل‌های فعلی احتمال موفقیت بسیار، بسیار پایین خواهد بود.»
به عبارت دیگر، این همان سفر در زمان که در ذهن دارید نیست—اما نزدیک‌ترین چیزی است که فیزیک تاکنون به عقب بردن ساعت دست یافته است.
یافته‌های این پژوهش به صورت آنلاین در مجله Optica منتشر شده‌اند.
منبع: thebrighterside
