تمكن العلماء من إعادة الزمن إلى الوراء على المستوى الكمومي

من السهل أخذ سهم الوقت أمرًا مفروغًا منه – لكن التروس الفيزيائية تعمل في الواقع بنفس السهولة في الاتجاه المعاكس. ربما آلة الزمن شيء ممكن بعد كل شيء؟

تُظهر تجربة حديثة مدى مساحة المناورة التي يمكن أن نتوقعها عندما يتعلق الأمر بتمييز الماضي عن المستقبل، على الأقل على نطاق كمي. قد لا يسمح لنا بإعادة إحياء الستينيات، لكنه قد يساعدنا على فهم لماذا لا يمكننا ذلك.

تعاون الباحثون من روسيا والولايات المتحدة لإيجاد طريقة لكسر، أو على الأقل ثني، أحد قوانين الفيزياء الأساسية حول الطاقة.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية أقل قاعدة صلبة وأكثر من مبدأ توجيهي للكون. يقول أن الأشياء الساخنة تصبح أكثر برودة بمرور الوقت حيث تتحول الطاقة وتنتشر من المناطق الأكثر كثافة.

هذا مبدأ يفسر لماذا لن تبقى قهوتك ساخنة في غرفة باردة، ولماذا لن يسمح لك أي شخص بالحصول على براءة اختراع لآلة الحركة الدائمة.

كما أنه الأقرب إلى أننا يمكن أن نتوصل إلى قاعدة تخبرنا لماذا يمكننا أن نتذكر ما كان لدينا لتناوله في العشاء الليلة الماضية، ولماذا ليس لدينا ذكرى حول عيد الميلاد المقبل.

يقول جوردي ليسوفيك، عالم الفيزياء الكمومية من معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا: “يرتبط هذا القانون ارتباطًا وثيقًا بمفهوم سهم الزمن الذي يفرض السير في اتجاه واحد من الماضي إلى المستقبل”.

تقريبا كل قاعدة أخرى في الفيزياء يمكن قلبها ولا تزال منطقية. على سبيل المثال، يمكنك التكبير في لعبة البلياردو، ولن يبدو التصادم بين أي كرتين غريبًا إذا صادفت رؤيته في الاتجاه المعاكس.

من ناحية أخرى، إذا شاهدت الكرات تتدحرج من الجيوب وقامت بإعادة تشكيل هرم البداية، فستكون هذه تجربة مشابهة لإفاقتك بعد الشرب. هذا هو كيفية عمل القانون الثاني بالنسبة لك.

على النطاق الكلي للأومليت وألعاب البلياردو، لا ينبغي لنا أن نتوقع الكثير في قوانين الديناميكا الحرارية. لكن بينما نركز على التروس الصغيرة للواقع – في هذه الحالة، الإلكترونات الانفرادية – تظهر ثغرات.

ليست الإلكترونات مثل كرات البلياردو الصغيرة، فهي أقرب إلى المعلومات التي تشغل مساحة. يتم تعريف تفاصيلهم بواسطة شيء يسمى معادلة شرودنجر، والذي يمثل إمكانيات خصائص الإلكترون كموجة من الصدفة.

إذا كان هذا الأمر مربكًا بعض الشيء، دعنا نعود إلى تصور لعبة البلياردو، لكن هذه المرة الأنوار مطفأة. عليك أن تبدأ بالمعلومات – الكرة البيضاء- في يدك، ثم ترسلها على الطاولة.

تخبرك معادلة شرودنجر أن الكرة في مكان ما على طاولة البلياردو تتحرك بسرعة معينة. من الناحية الكمية، تكون الكرة في كل مكان بمجموعة من السرعات … بعضها أكثر احتمالًا من غيرها.

يمكنك رفع يدك وامساكها واعادتها لموقعها، لكنك الآن غير متأكد من مدى سرعة سيرها. يمكنك أيضًا دفع إصبعك بلطف تجاهها ومعرفة سرعتها بثقة، لكن إلى أين ذهبت … من يدري؟

هناك خدعة واحدة أخرى يمكنك استخدامها، رغم ذلك. بعد أجزاء من الثانية من إرسال الكرة، يمكنك أن تكون متأكدًا تمامًا من أنها لا تزال بالقرب من يدك تتحرك بمعدل مرتفع.

بمعنى ما، تتنبأ معادلة شرودنجر بالشيء نفسه بالنسبة للجسيمات الكمومية. بمرور الوقت، تتسع احتماليات مواقع الجسيمات وسرعاتها.

يقول عالم المواد فاليري فينوكور من مختبر أرجون الوطني في الولايات المتحدة: “ومع ذلك، فإن معادلة شرودنجر قابلة للانعكاس”.

“من الناحية الرياضية، يعني ذلك أنه في ظل تحول معين يسمى الاقتران المعقد، ستصف المعادلة إلكترونًا” مُعلَمَّا” يعيد مكانه إلى منطقة صغيرة من الفضاء خلال نفس الفترة الزمنية.”

يبدو الأمر كما لو أن الكرة البيضاء الخاصة بك لم تعد تنتشر في موجة من المواضع المحتملة غير المحدودة عبر الطاولة المظلمة، ولكنها بدأت ترجع إلى يدك.

من الناحية النظرية، لا يوجد شيء يمنعه من الحدوث بشكل تلقائي. ستحتاج إلى التحديق إلى طاولة بلياردو بحجم 10 مليار إلكترون كل ثانية وبزمن يصل إلى طول عمر كوننا لرؤيتها تحدث مرة واحدة.

وبدلاً من الانتظار بصبر ومشاهدة التمويل يتدفق بعيدًا، استخدم الفريق الحالات غير المحددة للجسيمات في الكمبيوتر الكمومي ككرة بلياردو، وبعض التلاعب الذكي بالكمبيوتر باعتباره “آلة الزمن” الخاصة بهم.

تم ترتيب كل حالة من هذه الحالات، أو qubits، في حالة بسيطة تتوافق مع يد تمسك الكرة. بمجرد تشغيل الكمبيوتر الكمومي، بدأت هذه الحالات في مجموعة من الاحتمالات.

من خلال التغيير والتبديل في ظروف معينة في إعداد الكمبيوتر، تم تقييد هذه الاحتمالات بطريقة تعيد بشكل فعال معادلة شرودنغر عمداً.

لاختبار ذلك، بدأ الفريق عملية الإعداد مرة أخرى، كما لو كان يركل طاولة بلياردو ويراقب الكرات المتناثرة تعيد ترتيبها في شكل هرمي أولي. في حوالي 85 في المئة من التجارب على أساس اثنين فقط من الكيوبت، وهذا هو بالضبط ما حدث.

على المستوى العملي، فإن الخوارزميات التي استخدموها لمعالجة معادلة شرودنجر في اللف بهذه الطريقة يمكن أن تساعد في تحسين دقة أجهزة الكمبيوتر الكمومية.

ليست هذه هي المرة الأولى التي يعطي فيها هذا الفريق القانون الثاني للديناميكا الحرارية هزة جيدة. قبل بضع سنوات، قاموا بتشابك بعض الجسيمات وتمكنوا من تسخينها وتبريدها بطريقة تتصرف بفعالية كآلة حركة دائمة.

قد يساعدنا إيجاد طرق لدفع حدود مثل هذه القوانين الفيزيائية على المقياس الكمي في فهم آلية تدفق الكون كما يفعل دائمًا.

ترجمة: حسام عبدالله

المصادر: 1