معکوس کردن جریان زمان در یک کامپیوتر کوانتومی

شبیه سازی کوانتومی نگاهی دزدکی دارد به امکان معکوس شدن زمان
تاریخ: 14 مارس 2019
منبع: DOE / Laboratory of Argonne National
 

     

 
توضیح تصویر: مفهوم معکوس کردن جریان زمان
اعتبار: © Ivelin Radkov / Fotolia
 

ما همه‌ی روزها را با ساعت ها و تقویم ها علامت می زنیم، اما شاید هیچ گاهشماری فوری تر از یک آینه نباشد. تغییراتی که ما در طول سال ها به روشنی متوجه آن می شویم، نشان دهنده‌ی "پیکان زمان" علوم است - پیشرفت محتمل از نظم به بی نظمی. ما نمی توانیم این فلش را معکوس کنیم، ما فقط می توانیم تمام چین و چروک هایمان را پاک کنیم یا یک فنجان چای شکسته را به شکل اصلی آن بازگردانیم.
 

یک تیم بین المللی از دانشمندان به رهبری آزمایشگاه ملی Argonne وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) این سوال را در یک آزمایش اولیه در نوع خود، که کامپیوتری را برای بازگشت مختصری به گذشته مدیریت می کرد، کاوش کرد. نتایج، منتشر شده در 13 مارس در مجله Scientific Reports، مسیر جدیدی را برای بررسی جریان برگشت به عقب در سیستم های کوانتومی نشان می دهد. آنها همچنین امکانات جدیدی را برای تست برنامه کامپیوتری کوانتومی و اصلاح خطا افتتاح می کنند. برای دستیابی به برگشت زمان، تیم تحقیقاتی یک الگوریتم برای رایانه کوانتومی عمومی آی بی ام که پراکندگی یک ذره را شبیه سازی می کند، ایجاد کرد.
 
برای دستیابی به برگشت زمان، تیم تحقیقاتی یک الگوریتم برای رایانه کوانتومی عمومی آی بی ام که پراکندگی یک ذره را شبیه سازی می کند، ایجاد کرد. در فیزیک کلاسیک، این ممکن است به صورت یک توپ بیلیارد که با چوب بیلیاد به آن ضربه زده شده است و در یک خط حرکت می کند ظاهر شود. اما در دنیای کوانتومی، یک ذره پراکنده کیفیتی شکسته پیدا می کند و در جهات مختلف گسترش می یابد. معکوس کردن تحول کوانتومیِ آن شبیه باز گرداندن حلقه های موجی است  که وقتی سنگی به یک حوضچه آب پرتاب می شود ایجاد می شود.
 
در طبیعت، بازگرداندن این ذره به حالت اصلی خود - در اصل، باز سازی قطعات فنجان چای شکسته به شکل اول -  غیر ممکن است.
 
مشکل اصلی این است که شما نیاز دارید به یک "سوپر سیستم" یا نیروی خارجی تا امواج کوانتومی ذره را در هر نقطه اداره کنید. اما، محققان خاطرنشان می کنند، زمان بندی مورد نیاز برای این ابر سیستم که به صورت خود به خودی ظاهر شود و به طور مناسب امواج کوانتومی را اداره کند طولانی تر از عمر کیهان خواهد بود. بازگشتی در زمان، فقط به اندازه کسری از یک ثانیه صورت می گیرد.
 
این تیم، با جسارت تصمیم گرفت تا تعیین کند که چگونه این پیچیدگی را حداقل در تئوری برطرف کند. الگوریتم آنها یک پراکندگی الکترون را با یک سیستم کوانتومی دو سطحی شبیه سازی کرده است که توسط کوبیت کامپیوتری کوانتومی – که واحد اساسی اطلاعات کوانتومی است - و تکامل مربوط به آن در زمان، جعل شده است. الکترون از حالت محلی یا "دیده شده" به یک حالت پراکنده منتقل می‌شود. سپس الگوریتم روند را به حالت معکوس هدایت می کند و ذره به حالت اولیه خود می رسد - به عبارت دیگر، بازگشتی در زمان، فقط به اندازه کسری از یک ثانیه صورت می گیرد.
 
با توجه به اینکه مکانیک کوانتومی با احتمال و نه اطمینان اداره می شود، شانس دستیابی به این ویژگی زمانِ سفر بسیار خوب بود: الگوریتم همان نتیجه 85 درصد از زمان را در یک کامپیوتر کوانتومی دو کوبتی تحویل داد.
 
دانشمند ارشد Argonne Valerii Vinokur، که این تحقیق را رهبری کرد، گفت: "ما آنچه را که قبلا غیرممکن در نظر گرفته می‌شد، انجام دادیم." ما آنچه را که قبلا غیرممکن در نظر گرفته می‌شد، انجام دادیم.
 
این نتیجه درک ما از چگونگی عمل قانون دوم ترمودینامیک - که سیستم همیشه از نظم به انتروپی حرکت می کند و نه بر عکس – را عمیق می کند و نشان می دهد این قانون چگونه در جهان کوانتومی عمل می کند. محققان در کار قبلی اظهار می‌داشتند که با ارسال اطلاعات، یک نقض موضعیِ قانون دوم در یک سیستم کوانتومی ممکن است که با بخش های دور از هم، که می توانند همدیگر را بالانس کنند، جدا شده است.
 
Gordey Lesovik، مؤلف موسسه فیزیک و فناوری مسکو گفت: "این نتایج همچنین نشان می دهد که عدم برگشت پذیری، ناشی از اندازه گیری است و نقش مفهوم اندازه گیری را در پایه ی فیزیک کوانتومی نشان می دهد."
 
این همان مفهوم است که اروین شرودینگر، فیزیکدان اتریشی، با آزمایش فکری معروف خود، که در آن یک گربه در یک جعبه مهر و موم شده قرار داده شده است و ممکن است تا زمانی که وضعیت آن به طریقی دیده بانی می‌شود هم زنده باشد و هم مرده، نشان داد. محققان با محدود کردن اندازه گیری های خود، ذرات خود را در این اَبَر موقعیت، یا فُرم برزخ کوانتومی، معلق کردند.
 
Vinokur گفت: "این بخش ضروری الگوریتم ما بود." "ما حالت سیستم را در ابتدا و انتها اندازه گرفتیم اما در وسط دخالت نمی‌کردیم. "
 
در نهایت این یافته ممکن است روشهای بهتری برای تصحیح خطا بر روی رایانه های کوانتومی ایجاد کند، جایی که انفجارهای انباشته گرما تولید می کنند و باعث ایجاد انرژی جدید می شوند. یک کامپیوتر کوانتومی که بتواند به طور مؤثر به گذشته پرش کند و خطاها را پاک کند، کارایی بیشتری دارد.
 
Vinokur گفت: "در حال حاضر بسیار دشوار است تمام دلالتهایی که این توانایی می تواند داشته باشد را تصور کنید." "من خوش بین هستم، و من معتقدم که این کارایی‌ها، تعداد زیادی خواهد بود."
 
این تحقیق همچنین این سوال را مطرح می کند که آیا محققان می توانند راهی برای دو باره جوانان کردن مردم پیر پیدا کنند. Vinokur به گونه ای مطایبه آمیز می گوید "شاید"" با بودجه مناسب! " یک کامپیوتر کوانتومی که بتواند به طور مؤثر به گذشته پرش کند و خطاها را پاک کند، کارایی بیشتری دارد.

 
این کار توسط تیمی بین المللی از جمله محققان موسسه فیزیک و فن آوری مسکو (گوردی لسوویک، آندره لبدف، میشل سوسولف)، ETH Zurich (آندره لبدف) و آزمایشگاه ملی آرژون، ایالات متحده (والری ویوکور، ایوان سادوفسکی) انجام شد.
 
بودجه برای این تحقیق توسط دفتر پروژه های همکاری علمی و استراتژیک وزارت امور خارجه (بنیاد ملی سوئیس و بنیاد پیشرفت فیزیک نظری BASIS) تأمین شده است.
 
منبع کزارش:
مطالبی که توسط آزمایشگاه ملی DOE / Argonne ارائه شده است.
 
برگرفته از مجله:
G. B. Lesovik، I. A. A. Sadovskyy، M. V. Suslov، A. V. Lebedev، V. M. Vinokur. فلش زمان و تغییر آن در رایانه کوانتومی آی بی ام. گزارش های علمی، 2019؛ 9 (1) DOI: 10.1038 / s41598-019-40765-6
 

مترجم: علی رضایی میر قائد