Τα βασικά σημεία του άρθρου
- Επιστήμονες ανέπτυξαν έναν νέο τρόπο ελέγχου των κβαντικών συστημάτων, ο οποίος μπορεί να κάνει τη συμπεριφορά τους να μοιάζει σαν ο χρόνος να κυλάει προς τα πίσω αντί προς τα εμπρός.
- Η έρευνα εισάγει πρωτόκολλα κβαντικού ελέγχου που αναδιαμορφώνουν το «βέλος του χρόνου» ενός συστήματος, κάνοντας τις κβαντικές διεργασίες να μοιάζουν σαν να εκτυλίσσονται προς τα πίσω.
- Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να υποστηρίξει νέες μεθόδους για την εξαγωγή ενέργειας από κβαντικά συστήματα και την προετοιμασία κβαντικών καταστάσεων, μετατρέποντας τις κβαντικές μετρήσεις σε έναν θερμοδυναμικό πόρο.
Έναν νέο τρόπο ελέγχου των κβαντικών συστημάτων, ο οποίος μπορεί να κάνει τη συμπεριφορά τους να μοιάζει σαν ο χρόνος να κυλάει προς τα πίσω αντί προς τα εμπρός, ανέπτυξαν οι επιστήμονες.
Η έρευνα, η οποία δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Review X, εισάγει πρωτόκολλα κβαντικού ελέγχου που αναδιαμορφώνουν το «βέλος του χρόνου» ενός συστήματος – την ιδέα, δηλαδή, ότι ο χρόνος κινείται φυσικά μόνο προς μία κατεύθυνση. Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει νέες μεθόδους για την εξαγωγή ενέργειας από κβαντικά συστήματα και την προετοιμασία κβαντικών καταστάσεων.
Ένα κβαντικό σύστημα, όπως μια ομάδα από qubits (κβαντικά bits), ακολουθεί τους νόμους της κβαντομηχανικής και όχι της κλασικής φυσικής. Χρησιμοποιώντας τα πρόσφατα αναπτυγμένα πρωτόκολλα ελέγχου, οι ερευνητές μπορούν να καταστείλουν τη συνηθισμένη εμφάνιση του βέλους του χρόνου ή ακόμη και να αντιστρέψουν την φαινομενική του κατεύθυνση, κάνοντας τις κβαντικές διεργασίες να μοιάζουν σαν να εκτυλίσσονται προς τα πίσω. Ως επίδειξη της τεχνικής, η ομάδα δημιούργησε επίσης μια μηχανή μέτρησης που μπορεί να συλλέγει ενέργεια από την ίδια την πράξη της πραγματοποίησης κβαντικών μετρήσεων.
«Αντίθετα με τα φαινόμενα που παρατηρούμε γύρω μας, στο μικροσκοπικό επίπεδο οι περισσότεροι θεμελιώδεις νόμοι της φυσικής θεωρούν ότι η κίνηση του χρόνου τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω είναι φυσικά δυνατή», δήλωσε ο Λουίς Πέντρο Γκαρσία-Πίντος, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος. «Με άλλα λόγια, αυτοί οι νόμοι της φυσικής είναι συμμετρικοί ως προς την αντιστροφή του χρόνου. Οι εξισώσεις λειτουργούν εξίσου καλά ακόμα κι αν γυρίσεις τον χρόνο ανάποδα. Για τα κβαντικά συστήματα, τα οποία λειτουργούν σε αυτό ακριβώς το μικροσκοπικό επίπεδο, τα εργαλεία που δημιουργήσαμε μπορούν να χειριστούν το πώς γίνεται αντιληπτό το βέλος του χρόνου, οδηγώντας σε αναπάντεχους, νέους τρόπους ελέγχου τους», συμπλήρωσε.
Μηχανική κβαντικής συμπεριφοράς με αντιστροφή χρόνου
Στην κλασική φυσική, η πραγματοποίηση μιας μέτρησης έχει ελάχιστη επίδραση στο αντικείμενο που παρατηρούμε. Τα κβαντικά συστήματα, όμως, συμπεριφέρονται με πολύ διαφορετικό τρόπο. Η μέτρησή τους αλλάζει τυχαία την κατάστασή τους, δημιουργώντας με φυσικό τρόπο ένα «βέλος του χρόνου».
Για να ξεπεράσουν αυτό το φαινόμενο, οι επιστήμονες συνδύασαν στην έρευνά τους τις μετρήσεις με ένα σύστημα ανάδρασης, ώστε να δημιουργήσουν στοχαστικές τροχιές αντίστροφου χρόνου. Αυτό επέτρεψε στα κβαντικά συστήματα να ακολουθήσουν διαδρομές που μοιάζουν σαν ο χρόνος να κυλάει προς τα πίσω.
Η ομάδα το πέτυχε αυτό σχεδιάζοντας μια Χαμιλτονιανή ελέγχου (control Hamiltonian) – δηλαδή μια προσεκτικά σχεδιασμένη αλληλουχία πεδίων και παλμών που αναπαράγει τα αποτελέσματα των κβαντικών μετρήσεων. Όταν ενσωματώνεται σε ένα σύστημα ανάδρασης, η Χαμιλτονιανή μπορεί να ακυρώσει, να ενισχύσει ή ακόμα και να υπερδιορθώσει τις διαταραχές που προκαλούνται από τις μετρήσεις. Ως αποτέλεσμα, το σύστημα μπορεί να δημιουργήσει τροχιές που αντιστοιχούν σε επιμηκυμένα, θολά ή αντεστραμμένα βέλη του χρόνου.
Μια κβαντική εκδοχή του δαίμονα του Μάξγουελ
Η εργασία αυτή βασίζεται επίσης στο διάσημο νοητικό πείραμα του 19ου αιώνα, γνωστό ως «Δαίμονας του Μάξγουελ» (Maxwell’s demon). Σε αυτό το σενάριο, ένας υποθετικός παρατηρητής ταξινομεί επιλεκτικά θερμά και ψυχρά σωματίδια, μειώνοντας φαινομενικά την εντροπία και αμφισβητώντας τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ο οποίος ορίζει ότι η εντροπία φυσιολογικά αυξάνεται ή παραμένει σταθερή. (Η μεταγενέστερη φυσική έδειξε ότι ο δεύτερος νόμος δεν παραβιάζεται, αν συνυπολογιστούν όλες οι πηγές του θερμοδυναμικού κόστους).
Ο κβαντικός «δαίμονας» της ομάδας του Λος Άλαμος χρησιμοποιεί πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του κβαντικού συστήματος και τα αποτελέσματα των μετρήσεων για να παράγει παρόμοια ασυνήθιστη συμπεριφορά, αντιστρέφοντας ουσιαστικά το φυσικό βέλος του χρόνου του συστήματος.
Εξαγωγή ενέργειας από κβαντικές μετρήσεις
Οι νέες μέθοδοι ελέγχου επιτρέπουν επίσης στους ερευνητές να επηρεάσουν τον τρόπο με τον οποίο η ενέργεια εισέρχεται και εξέρχεται από ένα κβαντικό σύστημα. Αυτή η δυνατότητα θα μπορούσε να τροφοδοτήσει μια μηχανή συνεχούς μέτρησης, η οποία θα εξάγει ωφέλιμη ενέργεια απευθείας από την ίδια τη διαδικασία της παρακολούθησης.
Σε αυτό το πλαίσιο, οι κβαντικές μετρήσεις μετατρέπονται σε έναν θερμοδυναμικό πόρο που μπορεί να αξιοποιηθεί για την παραγωγή έργου – όπως για παράδειγμα να κατευθύνει μια άλλη κβαντική διεργασία ή να αποθηκεύσει ενέργεια σε μια κβαντική μπαταρία.
Κοιτάζοντας μπροστά, οι ερευνητές σχεδιάζουν να αποδείξουν και πειραματικά αυτές τις διαδικασίες μέτρησης (που βασίζονται στη Χαμιλτονιανή) για τον έλεγχο κβαντικής ανάδρασης, χρησιμοποιώντας υπεραγώγιμα qubits. Τα συστήματα αυτά υποστηρίζουν ταχύτατη ανάδραση, εξαιρετικά αποτελεσματική ανίχνευση και έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση κβαντικών εκδοχών του «δαίμονα του Μάξγουελ». Μελλοντικές μελέτες θα εφαρμόσουν επίσης τις νέες τεχνικές για την ανάπτυξη βελτιωμένων πρωτοκόλλων προετοιμασίας κβαντικών καταστάσεων.