Come i computer quantistici potrebbero uccidere la freccia del tempo

Una nuova tecnica per il calcolo quantistico potrebbe rompere il nostro intero modello di come si muove il tempo nell'universo.

Ecco quello che a lungo sembrava essere vero: il tempo lavora in una direzione. L'altra direzione? Non così tanto.

È vero nella vita. (Da martedì a mercoledì, dal 2018 a 2019, dalla giovinezza alla vecchiaia). Ed è vero in un computer classico. Cosa significa? È molto più facile per un po 'di software in esecuzione sul laptop prevedere come si muoverà e si svilupperà un sistema complesso in futuro piuttosto che ricrearne il passato. Una proprietà dell'universo che i teorici chiamano "asimmetria causale" richiede che ci vogliono molte più informazioni - e calcoli molto più complessi - per muoversi in una direzione nel tempo di quanto non faccia per muoversi nell'altra. (In pratica, andare avanti nel tempo è più facile.)

Ciò ha conseguenze nella vita reale. I meteorologi possono fare un lavoro ragionevolmente buono nel prevedere se pioverà tra cinque giorni sulla base dei dati radar meteorologici odierni. Ma chiedere agli stessi meteorologi di capire se ha piovuto cinque giorni fa utilizzando le immagini radar di oggi? È un compito molto più impegnativo, che richiede molti più dati e computer molto più grandi. [I 18 più grandi misteri irrisolti in fisica]

I teorici dell'informazione hanno sospettato a lungo che l'asimmetria causale potesse essere una caratteristica fondamentale dell'universo. Già nel 1927, il fisico Arthur Eddington sosteneva che questa asimmetria è la ragione per cui ci muoviamo solo in avanti nel tempo e mai indietro. Se comprendi l'universo come un gigantesco computer che calcola costantemente la sua strada nel tempo, è sempre più facile - meno dispendioso in termini di risorse - che le cose fluiscano in avanti (causa, poi effetto) che indietro (effetto, poi causa). Questa idea è chiamata "freccia del tempo".

Ma un nuovo articolo, pubblicato il 18 luglio sulla rivista Physical Review X, apre la porta alla possibilità che quella freccia sia un artefatto di calcolo in stile classico - qualcosa che ci è sembrato essere il caso solo a causa dei nostri strumenti limitati.

Un team di ricercatori ha scoperto che in determinate circostanze l'asimmetria causale scompare all'interno dei computer quantistici, che calcolano in modo completamente diverso - A differenza dei computer classici in cui le informazioni sono memorizzate in uno dei due stati (1 o 0), con i computer quantistici, le informazioni vengono memorizzate nelle particelle subatomiche che seguono alcune regole bizzarre e quindi ciascuna può trovarsi in più di uno stato contemporaneamente. E, cosa ancora più allettante, il loro articolo indica la strada verso ricerche future che potrebbero mostrare che l'asimmetria causale non esiste affatto nell'universo.

Com'è quello?

I sistemi molto ordinati e molto casuali sono facili da prevedere. (Pensa a un pendolo - ordinato - o una nuvola di gas che riempie una stanza - disordinata). In questo articolo, i ricercatori hanno esaminato i sistemi fisici che avevano un livello di disordine e casualità di riccioli d'oro - non troppo poco e non troppo. (Quindi, qualcosa come un sistema meteorologico in via di sviluppo.) Questi sono molto difficili da comprendere per i computer, ha detto il coautore dello studio Jayne Thompson, un teorico della complessità e un fisico che studia informazioni quantistiche presso l'Università Nazionale di Singapore. [Fisica stravagante: le particelle più belle della natura]

Successivamente, hanno cercato di capire il passato e il futuro di quei sistemi utilizzando computer quantistici teorici (senza computer fisici coinvolti). Non solo questi modelli di computer quantistici utilizzavano meno memoria rispetto ai modelli di computer classici, ha detto, erano in grado di funzionare in entrambe le direzioni nel tempo senza utilizzare memoria aggiuntiva. In altre parole, i modelli quantistici non avevano asimmetria causale.

"Anche se in modo classico, potrebbe essere impossibile per il processo andare in una delle direzioni [nel tempo]", ha detto Thompson, "i nostri risultati mostrano che" meccanicamente quantistico "il processo può andare in entrambe le direzioni utilizzando pochissima memoria".

E se questo è vero all'interno di un computer quantistico, è vero nell'universo, ha detto.

La fisica quantistica è lo studio degli strani comportamenti probabilistici di particelle molto piccole - tutte le particelle molto piccole nell'universo. E se la fisica quantistica è vera per tutti i pezzi che compongono l'universo, è vero per l'universo stesso, anche se alcuni dei suoi effetti più strani non sono sempre ovvi per noi. Quindi, se un computer quantistico può funzionare senza asimmetria causale, allora può farlo anche l'universo.

Ovviamente, vedere una serie di prove su come funzioneranno un giorno i computer quantistici non è la stessa cosa che vedere l'effetto nel mondo reale. Ma siamo ancora molto lontani dai computer quantistici abbastanza avanzati da eseguire il tipo di modelli descritti da questo documento, hanno detto.

Inoltre, ha detto Thompson, questa ricerca non dimostra che non vi sia alcuna asimmetria causale da nessuna parte nell'universo. Lei ei suoi colleghi hanno dimostrato che non c'è asimmetria in una manciata di sistemi. Ma è possibile, ha detto, che ci siano alcuni modelli quantistici molto scarni in cui emerge un'asimmetria causale.

"Sono agnostico su questo punto", ha detto.

Per adesso.

Il prossimo passo per questa ricerca, ha detto, è rispondere a questa domanda: capire se l'asimmetria causale esiste in qualsiasi modello quantistico.

Questo documento non dimostra che il tempo non esiste o che un giorno saremo in grado di scivolare indietro attraverso di esso. Ma sembra dimostrare che uno degli elementi costitutivi chiave della nostra comprensione del tempo, causa ed effetto, non sempre funziona nel modo in cui gli scienziati hanno da tempo ipotizzato e potrebbe non funzionare affatto in questo modo. Che cosa questo significhi per la forma del tempo, e per il resto di noi, è ancora una questione aperta.

Il vero vantaggio pratico di questo lavoro, ha detto, è che lungo la strada i computer quantistici potrebbero essere in grado di eseguire facilmente simulazioni di cose (come il tempo) in entrambe le direzioni nel tempo, senza gravi difficoltà. Sarebbe un cambiamento epocale rispetto all'attuale mondo dei modelli classici.

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