Jacob Hoover
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Il tempo va in una direzione: avanti. I ragazzini diventano vecchi ma non viceversa; le tazze da tè si rompono ma non si ricompongono mai spontaneamente. Questa proprietà crudele e immutabile dell'universo, chiamata "freccia del tempo", è fondamentalmente una conseguenza della seconda legge della termodinamica, secondo la quale i sistemi tenderanno sempre a diventare più disordinati nel tempo. Ma recentemente, i ricercatori degli Stati Uniti e della Russia hanno piegato leggermente quella freccia, almeno per le particelle subatomiche.
Nel nuovo studio, pubblicato martedì (12 marzo) sulla rivista Scientific Reports, i ricercatori hanno manipolato la freccia del tempo utilizzando un minuscolo computer quantistico composto da due particelle quantistiche, note come qubit, che eseguiva calcoli. [Fisica contorta: 7 risultati strabilianti]
Alla scala subatomica, dove prevalgono le strane regole della meccanica quantistica, i fisici descrivono lo stato dei sistemi attraverso un costrutto matematico chiamato funzione d'onda. Questa funzione è un'espressione di tutti i possibili stati in cui potrebbe trovarsi il sistema - anche, nel caso di una particella, tutte le possibili posizioni in cui potrebbe trovarsi - e la probabilità che il sistema si trovi in uno di quegli stati in un dato momento . Generalmente, col passare del tempo, le funzioni d'onda si diffondono; la possibile posizione di una particella può essere più lontana se aspetti un'ora che se aspetti 5 minuti.
Annullare la diffusione della funzione d'onda è come cercare di rimettere il latte versato nella bottiglia. Ma questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno realizzato in questo nuovo esperimento.
"Fondamentalmente non c'è alcuna possibilità che questo accada da solo", ha detto il ricercatore principale Valerii Vinokur, un fisico presso l'Argonne National Laboratory in Illinois. "È come quel detto, dove se dai a una scimmia una macchina da scrivere e molto tempo, potrebbe scrivere Shakespeare." In altre parole, è tecnicamente possibile ma così improbabile potrebbe anche essere impossibile.
Come hanno fatto gli scienziati a realizzare l'essenziale impossibile? Controllando attentamente l'esperimento.
"Hai davvero bisogno di molto controllo per rimettere insieme tutti i pezzi rotti di una tazza da tè", ha detto Stephen Bartlett, professore di fisica all'Università di Sydney. Bartlett non è stato coinvolto nello studio. "Devi avere molto controllo sul sistema per farlo ... e un computer quantistico è qualcosa che ci consente di avere un enorme controllo su un sistema quantistico simulato."
I ricercatori hanno utilizzato un computer quantistico per simulare una singola particella, la cui funzione d'onda si diffonde nel tempo come un'increspatura in uno stagno. Quindi, hanno scritto un algoritmo nel computer quantistico che ha invertito l'evoluzione temporale di ogni singolo componente della funzione d'onda, essenzialmente riportando quell'increspatura nella particella che l'ha creata. Hanno compiuto questa impresa senza aumentare l'entropia o il disordine altrove nell'universo, sfidando apparentemente la freccia del tempo.
Questo significa che i ricercatori hanno creato una macchina del tempo? Hanno violato le leggi della fisica? La risposta è no a entrambe le domande. La seconda legge della termodinamica dice che l'ordine dell'universo deve diminuire nel tempo ma non che non possa mai rimanere lo stesso in casi molto speciali. E questo esperimento era abbastanza piccolo, abbastanza breve e abbastanza controllato che l'universo non guadagnava né perdeva energia.
"È molto complesso e complicato rimandare indietro le onde su uno stagno" una volta che sono state create, ha detto Vinokur, "ma abbiamo visto che questo era possibile nel mondo quantistico, in un caso molto semplice". In altre parole, era possibile quando usavano il controllo dato loro dal computer quantistico per annullare l'effetto del tempo.
Dopo aver eseguito il programma, il sistema è tornato al suo stato originale l'85% delle volte. Tuttavia, quando è stato introdotto un terzo qubit, l'esperimento ha avuto successo solo il 50% delle volte. I ricercatori hanno affermato che la complessità del sistema probabilmente è aumentata troppo con il terzo qubit, rendendo più difficile per il computer quantistico mantenere il controllo su tutti gli aspetti del sistema. Senza quel controllo, l'entropia non può essere tenuta sotto controllo e l'inversione del tempo è quindi imperfetta. Tuttavia, puntano a sistemi più grandi e computer quantistici più grandi per i loro prossimi passi, ha detto Vinokur .
"Il lavoro è un bel contributo alle basi della fisica", ha detto James Whitfield, professore di fisica al Dartmouth College nel New Hampshire, che non è stato coinvolto nello studio. "Ci ricorda che non tutte le applicazioni dell'informatica quantistica devono essere orientate all'applicazione per essere interessanti".
"Questo è esattamente il motivo per cui stiamo costruendo computer quantistici", ha detto Bartlett. "Questa è una dimostrazione che i computer quantistici possono permetterci di simulare cose che non dovrebbero accadere nel mondo reale".
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