איך הפיזיקאים הקוונטים 'היפו את הזמן' (ואיך הם לא עשו זאת)

פיזיקאים שידלו חלקיקי אור לעבור טרנספורמציות הפוכות בו-זמנית, כמו אדם שהופך לאיש-זאב כפי שאדם-זאב הופך לאדם. במעגלים מהונדסים בקפידה, הפוטונים פועלים כאילו הזמן זורם בשילוב קוונטי של קדימה ואחורה.

"בפעם הראשונה אי פעם, יש לנו סוג של מכונת מסע בזמן שנוסעת לשני הכיוונים", אמר סוניה פרנקה-ארנולד, פיזיקאי קוונטים מאוניברסיטת גלזגו בסקוטלנד שלא היה מעורב במחקר.

למרבה הצער עבור חובבי המדע הבדיוני, למכשירים אין שום דבר במשותף עם DeLorean משנת 1982. לאורך הניסויים, שנערכו על ידי שני צוותים עצמאיים בסין ובאוסטריה, המשיכו שעוני המעבדה לתקתק בהתמדה קדימה. רק הפוטונים שהסתובבו במעגלים חוו תנודות זמניות. ואפילו לגבי הפוטונים, החוקרים מתלבטים אם היפוך חץ הזמן הוא אמיתי או מדומה.

כך או כך, התופעה המביכה עלולה להוביל לסוגים חדשים של טכנולוגיה קוונטית.

"אתה יכול להעלות על הדעת מעגלים שבהם המידע שלך יכול לזרום לשני הכיוונים", אמרה ג'וליה רובינו, חוקרת מאוניברסיטת בריסטול.

כל דבר בכל עת בבת אחת

פיזיקאים הבינו לראשונה לפני עשור שהכללים המוזרים של מכניקת הקוונטים מפילים מושגים מקובלים של זמן.

המהות של המוזרות הקוונטית היא זו: כשאתה מחפש חלקיק, אתה תמיד תגלה אותו במיקום יחיד ונקודתי. אבל לפני שנמדד, חלקיק פועל יותר כמו גל; יש לו "פונקציית גל" שמתפשטת ומתפתלת על פני מספר מסלולים. במצב בלתי מוגדר זה, חלקיק קיים בתערובת קוונטית של מיקומים אפשריים המכונה א חֲפִיפָה.

In נייר פורסם בשנת 2013, ג'וליו צ'ירבלה, פיזיקאי כעת באוניברסיטת הונג קונג, ומחברים משותפים הציעו מעגל שיכניס אירועים לסופרפוזיציה של סדרים זמניים, מעבר לסופרפוזיציה של מיקומים בחלל. ארבע שנים מאוחר יותר, רובינו ועמיתיה הוכח באופן ניסיוני ישירות הרעיון. הם שלחו פוטון במורד סופרפוזיציה של שני נתיבים: אחד שבו הוא חווה אירוע א' ואחר כך אירוע ב', ואחר שבו הוא חווה את ב' ואז א'. במובן מסוים, נראה היה שכל אירוע גורם לשני, תופעה שהתרחשה. שקוראים לו סיבתיות בלתי מוגבלת.

לא הסתפקו בהתעסקות רק עם סדר האירועים בזמן שהזמן צעד קדימה, Chiribella ועמית, זישואן ליו, כיוונו לאחר מכן לכיוון הצעדה, או החץ, של הזמן עצמו. הם חיפשו מנגנון קוונטי שבו הזמן נכנס לסופרפוזיציה של זרימה מהעבר לעתיד ולהיפך - חץ זמן בלתי מוגדר.

לשם כך, Chiribella וליו הבינו שהם צריכים מערכת שיכולה לעבור שינויים הפוכים, כמו מטרונום שזרועו יכולה להסתובב ימינה או שמאלה. הם דמיינו להכניס מערכת כזו לסופרפוזיציה, בדומה למוזיקאי המריץ בו זמנית מטרונום קוונטי ימינה ושמאלה. הֵם תיאר תוכנית להקמת מערכת כזו ב-2020.

אשפי אופטיקה החלו מיד לבנות חיצי זמן דו-קרביים במעבדה. בסתיו האחרון, שתי קבוצות הכריזו על הצלחה.

משחק דו-טיימינג

Chiribella וליו המציאו משחק שבו רק דו-טיימר קוונטי יכול להצטיין. משחק המשחק עם אור כולל ירי פוטונים דרך שני גאדג'טים קריסטל, A ו-B. מעבר קדימה דרך גאדג'ט מסובב את הקיטוב של הפוטון בכמות שתלויה בהגדרות הגאדג'ט. מעבר לאחור דרך הגאדג'ט מסובב את הקיטוב בדיוק הפוך.

לפני כל סיבוב של המשחק, שופט מגדיר בסתר את הגאדג'טים באחת משתי דרכים: הנתיב קדימה דרך A, ואז אחורה דרך B, יעביר את פונקציית הגל של הפוטון ביחס לנתיב ההפוך בזמן (אחורה דרך A, ואז קדימה דרך B), או שלא. השחקן חייב להבין איזו בחירה עשה השופט. לאחר שהשחקן מסדר את הגאדג'טים ואלמנטים אופטיים אחרים איך שהם רוצים, הם שולחים פוטון דרך המבוך, אולי מפצל אותו לסופרפוזיציה של שני נתיבים באמצעות מראה חצי כסופה. הפוטון מגיע לאחד משני גלאים. אם השחקן הקים את המבוך שלו בצורה חכמה מספיק, הלחיצה של הגלאי שיש לו את הפוטון תגלה את בחירת השופט.

כאשר הנגן מגדיר את המעגל כך שהפוטון ינוע בכיוון אחד בלבד בכל גאדג'ט, אז גם אם A ו-B נמצאים בסדר סיבתי בלתי מוגדר, הלחיצה של הגלאי תתאים להגדרות הגאדג'ט הסודיות לכל היותר כ-90% מהזמן. . רק כאשר הפוטון חווה סופרפוזיציה שלוקחת אותו קדימה ואחורה דרך שני הגאדג'טים - טקטיקה המכונה "היפוך זמן קוונטי" - יכול השחקן לנצח תיאורטית בכל סיבוב.

בשנה שעברה, צוות ב-Hefei, סין בייעוץ של Chiribella ואחד בווינה בייעוץ של הפיזיקאי צ'סלב ברוקנר להגדיר מעגלי היפוך זמן קוונטיים. למעלה ממיליון סיבובים, צוות וינה ניחש נכון 99.45% מהמקרים. הקבוצה של צ'ירבלה ניצחה 99.6% מהסיבובים שלה. שני הצוותים ניפצו את הגבול התיאורטי של 90%, והוכיחו שהפוטונים שלהם חוו סופרפוזיציה של שתי טרנספורמציות מנוגדות ומכאן חץ זמן בלתי מוגבל.

פירוש היפוך הזמן

בעוד החוקרים ביצעו את היפוך הזמן הקוונטי ושינו את השם, הם לא מסכימים לחלוטין לגבי המילים שהכי תופסות את מה שהם עשו.

בעיניה של צ'יריבלה, הניסויים דימו היפוך של חץ הזמן. בעצם הפיכתו תדרוש סידור מארג המרחב-זמן עצמו לסופרפוזיציה של שתי גיאומטריות שבהן הזמן מצביע בכיוונים שונים. "ברור שהניסוי לא מיישם את היפוך של חץ הזמן", אמר.

ברוקנר, בינתיים, מרגיש שהמעגלים עושים צעד צנוע מעבר לסימולציה. הוא מציין שהתכונות הניתנות למדידה של הפוטונים משתנות בדיוק כפי שהיו משתנות אילו עברו דרך סופרפוזיציה אמיתית של שתי גיאומטריות מרחב-זמן. ובעולם הקוונטי, אין מציאות מעבר למה שניתן למדוד. "מהמדינה עצמה, אין הבדל בין הסימולציה לדבר האמיתי", אמר.

נכון, הוא מודה, המעגל יכול להעיף בזמן רק פוטונים שעוברים שינויי קיטוב; אם המרחב-זמן היו באמת בסופרפוזיציה, כיווני זמן דו-קרב היו משפיעים על הכל.

מעגלי שני חצים

יהיו נטיותיהם הפילוסופיות אשר יהיו, הפיזיקאים מקווים שהיכולת לתכנן מעגלים קוונטיים הזורמים לשני כיוונים בבת אחת עשויה לאפשר מכשירים חדשים למחשוב קוונטי, תקשורת ו מטרולוגיה.

"זה מאפשר לך לעשות יותר דברים מאשר רק ליישם את הפעולות בסדר כזה או אחר", אמר סיריל ברנסיארד, תיאורטיקן מידע קוונטי במכון נאל בצרפת.

כמה חוקרים משערים שטעם המסע בזמן של היפוך הזמן הקוונטי עשוי לאפשר פונקציית "ביטול" קוונטית עתידית. אחרים צופים שמעגלים הפועלים בשני כיוונים בו זמנית יכולים לאפשר למכונות קוונטיות לפעול בצורה יעילה יותר. "אתה יכול להשתמש בזה למשחקים שבהם אתה רוצה להפחית את מה שנקרא מורכבות השאילתות", אמר רובינו בהתייחסו למספר השלבים שנדרש כדי לבצע משימה כלשהי.

יישומים מעשיים כאלה רחוקים מלהיות מובטחים. בעוד שמעגלי היפוך הזמן שברו מגבלת ביצועים תיאורטית במשחק הניחושים של Chiribella וליו, זו הייתה משימה מאוד מתוכננת שחלמו רק כדי להדגיש את היתרון שלהם על פני מעגלים חד-כיוונים.

אבל לתופעות קוונטיות מוזרות, נישה לכאורה, יש כישרון להוכיח שימושיות. הפיזיקאי הבולט אנטון זיילינגר נהג להאמין שהסתבכות קוונטית - קישור בין חלקיקים מופרדים - לא היה טוב לכלום. כיום, הסתבכות מחברת צמתים פנימה רשתות קוונטיות בהתהוות ו-qubits באב-טיפוס של מחשבי קוונטים, ועבודתו של זיילינגר על התופעה זיכתה אותו בנתח 2022 בפרס נובל בפיזיקה. על האופי המתהפך של הזמן הקוונטי, פרנק-ארנולד אמר, "זה ימים מוקדמים מאוד."