นักฟิสิกส์ควอนตัม 'พลิกเวลา' ได้อย่างไร (และพวกเขาไม่ได้ทำอย่างไร)

นักฟิสิกส์ได้เกลี้ยกล่อมให้อนุภาคของแสงเข้าสู่การเปลี่ยนแปลงที่ตรงกันข้ามพร้อมๆ กัน เช่น มนุษย์กลายเป็นมนุษย์หมาป่าเมื่อมนุษย์หมาป่ากลายเป็นมนุษย์ ในวงจรที่ออกแบบอย่างระมัดระวัง โฟตอนจะทำหน้าที่ราวกับว่าเวลาไหลไปในควอนตัมผสมกันระหว่างเดินหน้าและถอยหลัง

"เป็นครั้งแรกที่เรามีเครื่องเดินทางข้ามเวลาไปทั้งสองทิศทาง" กล่าว ซอนญ่า แฟรงกี้-อาร์โนลด์นักฟิสิกส์ควอนตัมแห่งมหาวิทยาลัยกลาสโกว์ในสกอตแลนด์ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัย

น่าเสียดายสำหรับแฟนนิยายวิทยาศาสตร์ อุปกรณ์เหล่านี้ไม่มีอะไรเหมือนกับ DeLorean ปี 1982 เลย ตลอดการทดลองซึ่งดำเนินการโดยทีมงานอิสระ XNUMX ทีมในจีนและออสเตรีย นาฬิกาในห้องปฏิบัติการยังคงเดินไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง มีเพียงโฟตอนที่พุ่งผ่านวงจรเท่านั้นที่ประสบกับเหตุการณ์ชั่วคราว และแม้แต่โฟตอน นักวิจัยก็ยังถกเถียงกันว่าลูกศรย้อนเวลานั้นเกิดขึ้นจริงหรือจำลองขึ้น

ไม่ว่าจะด้วยวิธีใด ปรากฏการณ์ที่น่างงอาจนำไปสู่เทคโนโลยีควอนตัมชนิดใหม่

Giulia Rubino นักวิจัยจาก University of Bristol กล่าวว่า "คุณสามารถเข้าใจวงจรที่ข้อมูลของคุณไหลได้ทั้งสองทาง"

ทุกอย่างในครั้งเดียว

นักฟิสิกส์ตระหนักเป็นครั้งแรกเมื่อทศวรรษที่แล้วว่ากฎแปลก ๆ ของกลศาสตร์ควอนตัมได้โค่นล้มแนวคิดทั่วไปเกี่ยวกับเวลา

สาระสำคัญของความแปลกประหลาดเชิงควอนตัมคือ: เมื่อคุณมองหาอนุภาค คุณจะตรวจพบมันในตำแหน่งเดียวที่เหมือนจุดเสมอ แต่ก่อนที่จะทำการตรวจวัด อนุภาคจะทำหน้าที่เหมือนคลื่นมากกว่า มันมี "ฟังก์ชั่นคลื่น" ที่กระจายออกและกระเพื่อมในหลายเส้นทาง ในสถานะที่ไม่แน่นอนนี้ อนุภาคมีอยู่ในกลุ่มควอนตัมของตำแหน่งที่เป็นไปได้ซึ่งเรียกว่า a การทับซ้อน.

In กระดาษ เผยแพร่ในปี 2013, จูลิโอ ชิริเบลล่าซึ่งเป็นนักฟิสิกส์ที่มหาวิทยาลัยฮ่องกงและผู้เขียนร่วมได้เสนอวงจรที่จะทำให้เหตุการณ์กลายเป็นการซ้อนทับของคำสั่งทางโลก ซึ่งจะก้าวไปไกลกว่าการซ้อนทับของสถานที่ในอวกาศ สี่ปีต่อมา Rubino และเพื่อนร่วมงานของเธอ แสดงให้เห็นโดยตรงจากการทดลอง ความคิด. พวกเขาส่งโฟตอนลงมาซ้อนกันในสองเส้นทาง: เส้นทางหนึ่งประสบกับเหตุการณ์ A และเหตุการณ์ B และอีกเส้นทางหนึ่งซึ่งประสบกับ B จากนั้นเป็น A ในแง่หนึ่ง แต่ละเหตุการณ์ดูเหมือนจะทำให้เกิดอีกเหตุการณ์หนึ่ง ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้น เรียกว่า เวรกรรมไม่มีกำหนด.

ไม่พอใจที่จะยุ่งกับลำดับของเหตุการณ์ในขณะที่เวลาเดินไปข้างหน้า Chiribella และเพื่อนร่วมงาน Zixuan Liu มุ่งเป้าไปที่ทิศทางการเดินทัพหรือลูกศรของเวลา พวกเขาค้นหาเครื่องมือควอนตัมซึ่งเวลาได้เข้าสู่การซ้อนทับของการไหลจากอดีตสู่อนาคตและในทางกลับกัน ลูกศรแห่งเวลาที่ไม่มีกำหนด

ในการทำเช่นนี้ Chiribella และ Liu ตระหนักว่าพวกเขาต้องการระบบที่สามารถเปลี่ยนแปลงตรงกันข้ามได้ เช่น เครื่องเมตรอนอมที่สามารถแกว่งแขนไปทางซ้ายหรือขวาได้ พวกเขาจินตนาการถึงการนำระบบดังกล่าวมาซ้อนทับกัน คล้ายกับนักดนตรีที่สะบัดเครื่องเมตรอนอมควอนตัมไปทางขวาและซ้ายพร้อมกัน พวกเขา อธิบายโครงการ เพื่อวางระบบดังกล่าวในปี 2020.

พ่อมดออปติคเริ่มสร้างลูกศรแห่งเวลาในห้องแล็บทันที ฤดูใบไม้ร่วงที่ผ่านมา สองทีมประกาศความสำเร็จ

เกมสองจังหวะ

Chiribella และ Liu ได้คิดค้นเกมที่มีตัวจับเวลาแบบควอนตัมสองตัวเท่านั้นที่สามารถเอาชนะได้ การเล่นเกมด้วยแสงเกี่ยวข้องกับการยิงโฟตอนผ่านอุปกรณ์คริสตัลสองชิ้น A และ B การส่งผ่านอุปกรณ์ไปข้างหน้าจะหมุนโพลาไรเซชันของโฟตอนตามจำนวนที่ขึ้นอยู่กับการตั้งค่าของอุปกรณ์ การย้อนกลับผ่านแกดเจ็ตจะหมุนโพลาไรเซชันในทางตรงข้ามอย่างแม่นยำ

ก่อนการแข่งขันแต่ละรอบ ผู้ตัดสินแอบตั้งค่าแกดเจ็ตด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งจากสองวิธี: เส้นทางไปข้างหน้าผ่าน A แล้วย้อนกลับผ่าน B จะเปลี่ยนฟังก์ชันคลื่นของโฟตอนที่สัมพันธ์กับเส้นทางที่ย้อนเวลา (ย้อนกลับผ่าน A จากนั้น ส่งต่อผ่าน B) มิฉะนั้นจะไม่ ผู้เล่นต้องคิดให้ออกว่าผู้ตัดสินเลือกใคร หลังจากที่ผู้เล่นจัดเรียงแกดเจ็ตและองค์ประกอบทางแสงอื่นๆ ตามที่ต้องการแล้ว พวกเขาจะส่งโฟตอนผ่านเขาวงกต บางทีอาจแยกมันออกเป็นสองเส้นทางซ้อนทับกันโดยใช้กระจกครึ่งสีเงิน โฟตอนจะไปสิ้นสุดที่หนึ่งในสองเครื่องตรวจจับ หากผู้เล่นตั้งค่าเขาวงกตด้วยวิธีที่ชาญฉลาดเพียงพอ การคลิกเครื่องตรวจจับที่มีโฟตอนจะแสดงตัวเลือกของผู้ตัดสิน

เมื่อผู้เล่นตั้งค่าวงจรให้โฟตอนเคลื่อนที่ในทิศทางเดียวผ่านอุปกรณ์แต่ละชิ้น แม้ว่า A และ B จะอยู่ในลำดับสาเหตุที่ไม่แน่นอน การคลิกของอุปกรณ์ตรวจจับจะตรงกับการตั้งค่าอุปกรณ์ลับมากที่สุดประมาณ 90% ของเวลาทั้งหมด . เฉพาะเมื่อโฟตอนที่สัมผัสกับการซ้อนทับที่นำไปข้างหน้าและข้างหลังผ่านแกดเจ็ตทั้งสอง — ชั้นเชิงที่ขนานนามว่า “การพลิกเวลาควอนตัม” — ผู้เล่นจะสามารถชนะทุกรอบในทางทฤษฎีได้

ปีที่แล้ว ทีมงานในเมืองเหอเฝย์ ประเทศจีน ได้รับคำแนะนำจากชิริเบลลา และอีกทีมในเวียนนา ได้รับคำแนะนำจากนักฟิสิกส์ ชาสลาฟ บรุกเนอร์ ตั้งค่าวงจรควอนตัมไทม์พลิก กว่า 1 ล้านรอบ ทีมเวียนนา เดาถูก 99.45% ของเวลาทั้งหมด. กลุ่มชิริเบลล่า ชนะ 99.6% ของรอบ. ทั้งสองทีมทำลายขีดจำกัดทางทฤษฎีที่ 90% พิสูจน์ให้เห็นว่าโฟตอนของพวกเขาประสบกับการทับซ้อนของการแปลงสองแบบที่ตรงข้ามกัน และด้วยเหตุนี้ลูกศรแห่งเวลาจึงไม่มีกำหนด

การตีความการพลิกเวลา

ในขณะที่นักวิจัยได้ดำเนินการและตั้งชื่อการพลิกเวลาควอนตัม พวกเขายังไม่มีข้อตกลงที่สมบูรณ์แบบว่าคำใดจะจับสิ่งที่พวกเขาทำไว้ได้ดีที่สุด

ในสายตาของ Chiribella การทดลองได้จำลองการพลิกลูกศรของเวลา การพลิกกลับจริง ๆ นั้นจำเป็นต้องจัดเรียงโครงสร้างของกาลอวกาศให้อยู่ในการวางซ้อนของรูปทรงเรขาคณิตสองรูปที่เวลาชี้ไปในทิศทางที่ต่างกัน “เห็นได้ชัดว่าการทดลองนี้ไม่ได้ใช้การย้อนศรของเวลา” เขากล่าว

ในขณะเดียวกัน Brukner รู้สึกว่าวงจรนั้นก้าวไปไกลกว่าการจำลอง เขาชี้ให้เห็นว่าคุณสมบัติที่วัดได้ของโฟตอนจะเปลี่ยนไปเหมือนกับที่พวกมันต้องการหากพวกมันผ่านการซ้อนทับกันจริงๆ ของรูปทรงเรขาคณิตสองมิติของกาลอวกาศ และในโลกควอนตัม ไม่มีความจริงใดที่เกินกว่าจะวัดได้ “จากตัวรัฐเอง ไม่มีความแตกต่างระหว่างการจำลองกับของจริง” เขากล่าว

เขายอมรับว่าวงจรสามารถย้อนเวลาได้เฉพาะโฟตอนที่มีการเปลี่ยนแปลงโพลาไรเซชันเท่านั้น หากกาล-อวกาศซ้อนทับกันจริงๆ ทิศทางของเวลาจะกระทบต่อทุกสิ่ง

วงจรสองลูกศร

ไม่ว่าพวกเขาจะมีความโน้มเอียงทางปรัชญาแบบใดก็ตาม นักฟิสิกส์หวังว่าความสามารถในการออกแบบวงจรควอนตัมที่ไหลสองทางพร้อมกันอาจช่วยให้อุปกรณ์ใหม่สำหรับการคำนวณด้วยควอนตัม การสื่อสาร และ มาตรวิทยา.

“วิธีนี้ช่วยให้คุณทำสิ่งต่างๆ ได้มากกว่าเพียงแค่ดำเนินการตามคำสั่งอย่างใดอย่างหนึ่ง” กล่าว ซีริล แบรนซิการ์ดนักทฤษฎีข้อมูลควอนตัมที่ Néel Institute ในฝรั่งเศส

นักวิจัยบางคนคาดการณ์ว่ารสชาติการเดินทางข้ามเวลาของการย้อนเวลาแบบควอนตัมอาจเปิดใช้งานฟังก์ชัน "เลิกทำ" แบบควอนตัมในอนาคต คนอื่น ๆ คาดว่าวงจรที่ทำงานในสองทิศทางพร้อมกันอาจทำให้เครื่องควอนตัมทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น “คุณสามารถใช้สิ่งนี้กับเกมที่คุณต้องการลดความซับซ้อนของคิวรี” Rubino กล่าวโดยอ้างถึงจำนวนขั้นตอนที่ต้องใช้ในการทำงานบางอย่าง

การใช้งานจริงดังกล่าวยังห่างไกลจากความมั่นใจ ในขณะที่วงจรย้อนเวลาได้ทำลายขีดจำกัดประสิทธิภาพทางทฤษฎีในเกมทายใจของชิริเบลลาและหลิว นั่นเป็นงานที่คิดค้นอย่างสูงที่คิดขึ้นมาเพียงเพื่อเน้นย้ำความได้เปรียบเหนือวงจรทางเดียว

แต่ปรากฏการณ์ควอนตัมเฉพาะกลุ่มที่แปลกประหลาดดูเหมือนจะมีความสามารถพิเศษในการพิสูจน์ว่ามีประโยชน์ Anton Zeilinger นักฟิสิกส์ที่มีชื่อเสียงเคยเชื่อว่าการพัวพันของควอนตัม ซึ่งเป็นการเชื่อมโยงระหว่างอนุภาคที่แยกจากกัน ไม่ดีสำหรับอะไร. วันนี้กระทู้พัวพันกันโหนเข้ามา เครือข่ายควอนตัมตั้งไข่ และคิวบิตในคอมพิวเตอร์ควอนตัมต้นแบบ และงานของ Zeilinger เกี่ยวกับปรากฏการณ์นี้ทำให้เขาได้รับส่วนแบ่งจาก 2022 รางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์. สำหรับธรรมชาติของเวลาควอนตัมที่พลิกกลับได้ Franke-Arnold กล่าวว่า "มันเพิ่งเกิดขึ้นเร็วมาก"