20.07.2019
PL EN
17.03.2019 aktualizacja 17.03.2019

Komputer kwantowy cofnięty w czasie

Fot. Fotolia Fot. Fotolia

Udało się przywrócić komputer kwantowy do stanu, w jakim był ułamek sekundy wcześniej – informuje pismo „Scientific Reports”.

Chwilowego cofnięcia w czasie dokonali Gordiej Lesowik, Andriej Lebiediew i Michaił Susłow z Moskiewskiego Instytutu Fizyki i Technologii (MIPT), Valerii Vinokur i Ivan Sadovskyy pracujący w Argonne National Laboratory (USA). Naukowcy obliczyli również prawdopodobieństwo spontanicznego cofnięcia się elektronu do niedawnej przeszłości w pustce międzygwiezdnej.

Zgodnie z drugim prawem termodynamiki izolowany układ albo pozostaje w spoczynku, albo też zmniejsza się stopień jego uporządkowania. Dom z cegieł może się rozsypać, ale nie odbudować, torebka nie wchłonie herbaty z filiżanki, pozostawiając wodę, wulkan może wybuchnąć, ale nie wessie lawy z powrotem do krateru. Ludzie się starzeją, a nie stają coraz młodsi.

Tymczasem fizykom kwantowym z MIPT udało się doprowadzić do spontanicznego cofnięcia czasu dla pojedynczej cząsteczki o ułamek sekundy.

"Załóżmy, że elektron jest zlokalizowany, gdy zaczniemy go obserwować. Oznacza to, że jesteśmy całkowicie pewni jego położenia w przestrzeni. Prawa mechaniki kwantowej uniemożliwiają nam poznanie go z absolutną precyzją, ale możemy wyznaczyć mały region, w którym elektron jest zlokalizowany" - mówi współautor badania Andriej Lebiediew.

Ewolucję stanu, w jakim znajduje się elektron, wyznacza równanie Schrödingera. Wprawdzie nie czyni ono różnicy pomiędzy przeszłością a przyszłością, jednak obszar przestrzeni zawierający elektron rozszerza się bardzo szybko, a układ staje się bardziej chaotyczny. Rośnie niepewność dotycząca pozycji elektronu.

Jednak równanie Schrödingera jest odwracalne – przy jego odpowiednim przekształceniu elektron może znowu zlokalizować się w małej przestrzeni. Choć takich zjawisk nie zaobserwowano w naturze, może do nich teoretycznie dochodzić dzięki przypadkowym fluktuacjom mikrofalowego promieniowania tła.

Jak jednak obliczyli autorzy, spontaniczne cofnięcie się w czasie to przypadek wysoce nieprawdopodobny. Nawet czekając tyle czasu, ile liczy sobie wszechświat (13,7 miliarda lat) i obserwując 10 miliardów świeżo zlokalizowanych elektronów, w ciągu sekundy można by zaobserwować wsteczną ewolucję stanu elektronu tylko raz. A nawet wtedy elektron cofnąłby się w przeszłość zaledwie o dziesięciomiliardową część sekundy. W przypadku obiektów składających się z wielu elektronów takie zjawisko byłoby o wiele, wiele mniej prawdopodobne.

Następnie naukowcy spróbowali odwrócić czas w czterostopniowym eksperymencie. Zamiast elektronu obserwowali stan komputera kwantowego złożonego z dwóch, a następnie trzech podstawowych elementów zwanych kubitami.

W pierwszym etapie każdy kubit był inicjowany w stanie podstawowym, oznaczonym jako zero. Ta wysoce uporządkowana konfiguracja odpowiada elektronowi zlokalizowanemu w małym regionie. W drugim etapie stan kubitów staje się coraz bardziej skomplikowanym zmieniającym się układem zer i jedynek. Osiąga się to poprzez krótkie uruchomienie programu ewolucyjnego na komputerze kwantowym. W rzeczywistości podobna degradacja wystąpiłaby sama z powodu interakcji ze środowiskiem. Jednak kontrolowany program autonomicznej ewolucji umożliwi ostatni etap eksperymentu.

Na trzecim etapie (odwrócenie czasu) specjalny program modyfikuje stan komputera kwantowego w taki sposób, aby ewoluował "wstecz" z chaosu w kierunku porządku. Ta operacja jest podobna do losowej fluktuacji tła mikrofalowego w przypadku elektronu, ale tym razem jest celowo indukowana.

Etap czwarty to regeneracja. Program ewolucji z drugiego etapu zostaje uruchomiony ponownie. Przy odpowiednim zadziałaniu, program nie powoduje większego chaosu, lecz przywraca stan kubitów z przeszłości.

Naukowcy odkryli, że w 85 proc przypadków dwukubitowy komputer kwantowy rzeczywiście powrócił do stanu początkowego. W przypadku trzech kubitów wystąpiło więcej błędów, co przełożyło się na około 50-procentowy wskaźnik sukcesu. Według autorów błędy te wynikają z niedoskonałości rzeczywistego komputera kwantowego. Ponieważ projektuje się coraz bardziej zaawansowane urządzenia, oczekuje się, że wskaźnik błędu spadnie.

Co ciekawe, sam algorytm „odwracania czasu” może okazać się przydatny dla zwiększenia dokładności komputerów kwantowych. „Nasz algorytm można zaktualizować i wykorzystać do testowania programów napisanych dla komputerów kwantowych i wyeliminowania szumów i błędów” - wyjaśnił Lebiediew. (PAP)

Autor: Paweł Wernicki

pmw/ zan/

Copyright © Fundacja PAP 2019