Come i fisici quantistici hanno "capovolto il tempo" (e come non l'hanno fatto)

I fisici hanno persuaso le particelle di luce a subire simultaneamente trasformazioni opposte, come un essere umano che si trasforma in un lupo mannaro mentre il lupo mannaro si trasforma in un essere umano. Nei circuiti progettati con cura, i fotoni agiscono come se il tempo scorresse in una combinazione quantistica di avanti e indietro.

"Per la prima volta in assoluto, abbiamo una macchina che viaggia nel tempo che va in entrambe le direzioni", ha detto Sonja Franke-Arnold, un fisico quantistico dell'Università di Glasgow in Scozia che non era coinvolto nella ricerca.

Purtroppo per i fan della fantascienza, i dispositivi non hanno nulla in comune con una DeLorean del 1982. Durante gli esperimenti, condotti da due team indipendenti in Cina e Austria, gli orologi del laboratorio hanno continuato a scorrere costantemente in avanti. Solo i fotoni che svolazzavano attraverso i circuiti subivano imbrogli temporali. E anche per i fotoni, i ricercatori discutono se il lancio della freccia del tempo sia reale o simulato.

In ogni caso, il fenomeno sconcertante potrebbe portare a nuovi tipi di tecnologia quantistica.

"Potresti concepire circuiti in cui le tue informazioni potrebbero fluire in entrambe le direzioni", ha affermato Giulia Rubino, ricercatrice presso l'Università di Bristol.

Qualsiasi cosa in qualsiasi momento tutto in una volta

I fisici si sono resi conto per la prima volta un decennio fa che le strane regole della meccanica quantistica rovesciano le nozioni di tempo del senso comune.

L'essenza della stranezza quantistica è questa: quando cerchi una particella, la rileverai sempre in un'unica posizione puntiforme. Ma prima di essere misurata, una particella si comporta più come un'onda; ha una "funzione d'onda" che si diffonde e si increspa su più percorsi. In questo stato indeterminato, una particella esiste in una miscela quantistica di possibili posizioni nota come a sovrapposizione.

In un documento pubblicato nel 2013, Giulio Chiribella, un fisico ora all'Università di Hong Kong, e coautori hanno proposto un circuito che metterebbe gli eventi in una sovrapposizione di ordini temporali, andando un passo oltre la sovrapposizione di posizioni nello spazio. Quattro anni dopo, Rubino e i suoi colleghi dimostrata direttamente sperimentalmente l'idea. Hanno inviato un fotone lungo una sovrapposizione di due percorsi: uno in cui ha sperimentato l'evento A e poi l'evento B, e un altro dove ha sperimentato B poi A. In un certo senso, ogni evento sembrava causare l'altro, un fenomeno che si è verificato chiamata causalità indefinita.

Non contento di alterare semplicemente l'ordine degli eventi mentre il tempo avanzava, Chiribella e un collega, Zixuan Liu, presero poi di mira la direzione di marcia, o freccia, del tempo stesso. Cercavano un apparato quantistico in cui il tempo entrasse in una sovrapposizione di fluire dal passato al futuro e viceversa: una freccia indefinita del tempo.

Per fare questo, Chiribella e Liu si sono resi conto di aver bisogno di un sistema che potesse subire variazioni opposte, come un metronomo il cui braccio può oscillare a destra oa sinistra. Hanno immaginato di mettere un tale sistema in una sovrapposizione, simile a un musicista che fa scorrere simultaneamente un metronomo quantistico verso destra e verso sinistra. Essi descritto uno schema per la creazione di un tale sistema nel 2020.

I maghi dell'ottica iniziarono immediatamente a costruire frecce del tempo da duello in laboratorio. Lo scorso autunno, due squadre hanno dichiarato il successo.

Un gioco a due tempi

Chiribella e Liu avevano escogitato un gioco in cui solo un doppio timer quantico poteva eccellere. Giocare con la luce implica sparare fotoni attraverso due gadget di cristallo, A e B. Il passaggio in avanti attraverso un gadget ruota la polarizzazione di un fotone di una quantità che dipende dalle impostazioni del gadget. Il passaggio all'indietro attraverso il gadget ruota la polarizzazione esattamente nel modo opposto.

Prima di ogni round del gioco, un arbitro posiziona segretamente i gadget in uno dei due modi seguenti: il percorso in avanti attraverso A, quindi all'indietro attraverso B, sposterà la funzione d'onda di un fotone rispetto al percorso invertito nel tempo (indietro attraverso A, quindi avanti attraverso B), o non lo farà. Il giocatore deve capire quale scelta ha fatto l'arbitro. Dopo che il giocatore ha sistemato i gadget e gli altri elementi ottici come preferisce, invia un fotone attraverso il labirinto, magari dividendolo in una sovrapposizione di due percorsi usando uno specchio mezzo argentato. Il fotone finisce in uno dei due rivelatori. Se il giocatore ha allestito il proprio labirinto in modo sufficientemente intelligente, il clic del rivelatore che ha il fotone rivelerà la scelta dell'arbitro.

Quando il giocatore imposta il circuito in modo che il fotone si muova in una sola direzione attraverso ciascun gadget, anche se A e B sono in un ordine causale indefinito, il clic del rilevatore corrisponderà alle impostazioni segrete del gadget al massimo circa il 90% delle volte . Solo quando il fotone sperimenta una sovrapposizione che lo porta avanti e indietro attraverso entrambi i gadget - una tattica soprannominata "quantum time flip" - il giocatore può teoricamente vincere ogni round.

L'anno scorso, una squadra a Hefei, in Cina, consigliata da Chiribella e una a Vienna, consigliata dal fisico Časlav Brukner impostare circuiti quantistici di inversione del tempo. Oltre 1 milione di giri, la squadra di Vienna indovinato correttamente il 99.45% delle volte. Il gruppo di Chiribella ha vinto il 99.6% dei suoi round. Entrambe le squadre hanno infranto il limite teorico del 90%, dimostrando che i loro fotoni hanno subito una sovrapposizione di due trasformazioni opposte e quindi una freccia del tempo indefinita.

Interpretazione del Time Flip

Mentre i ricercatori hanno eseguito e chiamato il salto temporale quantico, non sono perfettamente d'accordo su quali parole catturino meglio ciò che hanno fatto.

Agli occhi di Chiribella, gli esperimenti hanno simulato un lancio della freccia del tempo. In realtà capovolgerlo richiederebbe di organizzare il tessuto dello spazio-tempo stesso in una sovrapposizione di due geometrie in cui il tempo punta in direzioni diverse. "Ovviamente, l'esperimento non sta implementando l'inversione della freccia del tempo", ha detto.

Brukner, nel frattempo, ritiene che i circuiti facciano un modesto passo oltre la simulazione. Sottolinea che le proprietà misurabili dei fotoni cambiano esattamente come farebbero se passassero attraverso una vera sovrapposizione di due geometrie spazio-temporali. E nel mondo dei quanti, non c'è realtà al di là di ciò che può essere misurato. "Dallo stato stesso, non c'è differenza tra la simulazione e la realtà", ha detto.

Certo, ammette, il circuito può capovolgere nel tempo solo i fotoni sottoposti a cambiamenti di polarizzazione; se lo spazio-tempo fosse davvero in sovrapposizione, due direzioni temporali influenzerebbero tutto.

Circuiti a due frecce

Qualunque siano le loro inclinazioni filosofiche, i fisici sperano che la capacità di progettare circuiti quantistici che scorrono in due direzioni contemporaneamente possa consentire nuovi dispositivi per il calcolo quantistico, in termini di comunicazione ed metrologia.

"Questo ti consente di fare più cose che semplicemente implementare le operazioni in un ordine o nell'altro", ha affermato Cirillo Brancard, un teorico dell'informazione quantistica presso il Néel Institute in Francia.

Alcuni ricercatori ipotizzano che il sapore del viaggio nel tempo del salto temporale quantico potrebbe consentire una futura funzione di "annullamento" quantistico. Altri prevedono che i circuiti che operano in due direzioni contemporaneamente potrebbero consentire alle macchine quantistiche di funzionare in modo più efficiente. "Potresti usarlo per i giochi in cui vuoi ridurre la cosiddetta complessità delle query", ha detto Rubino, riferendosi al numero di passaggi necessari per svolgere alcune attività.

Tali applicazioni pratiche sono tutt'altro che garantite. Mentre i circuiti di time-flip hanno infranto un limite di prestazioni teoriche nel gioco d'ipotesi di Chiribella e Liu, quello era un compito altamente artificioso ideato solo per evidenziare il loro vantaggio sui circuiti a senso unico.

Ma fenomeni quantistici bizzarri, apparentemente di nicchia, hanno un talento per dimostrarsi utili. L'eminente fisico Anton Zeilinger era solito credere che l'entanglement quantistico — un legame tra particelle separate — non serviva a niente. Oggi, l'entanglement intreccia i nodi nascenti reti quantistiche e qubit in prototipi di computer quantistici, e il lavoro di Zeilinger sul fenomeno gli è valso una parte del Premio Nobel per la fisica 2022. Per la natura ribaltabile del tempo quantico, Franke-Arnold ha detto, "è molto presto".