Wetenschappers gebruiken kwantumcomputer om tijd terug te draaien | De 2e wet van de thermodynamica overtreden

• Natuurkundigen hebben met succes een kwantumtoestand gecreëerd die in de tegenovergestelde richting van de thermodynamische pijl van de tijd beweegt.
• Ze hebben deze toestand aangetoond in 2- en 3-qubit kwantumcomputers.
• Het kan worden gebruikt om kwantumcomputers nauwkeuriger te maken en tegelijkertijd fouten en ruis te verminderen.

Hoe komt de onomkeerbaarheid voort uit de schijnbaar tijdsymmetrische natuurwetten? Wetenschappers proberen al jaren het antwoord te vinden.

Binnen het kader van de klassieke statistische mechanica is het probleem verbonden met de 2e wet van de thermodynamica, die stelt dat entropie in een gesloten systeem toeneemt wanneer energie van de ene vorm in de andere verandert, of materie vrij beweegt.

In 2018 rapporteerden Russische onderzoekers van het Moscow Institute of Physics and Technology de schending van de 2e wet van de thermodynamica via een apparaat dat bekend staat als de demon van Maxwell. Nu hebben ze het probleem vanuit een andere hoek aangepakt:ze hebben een kwantumtoestand ontwikkeld die in de tegenovergestelde richting van de thermodynamische pijl van de tijd beweegt.

Het team evalueerde eerst de waarschijnlijkheid dat een elektron in een vacuüm instinctief terug zal reizen naar zijn recente verleden. Ze ontdekten dat het observeren van 10 miljard nieuw gelokaliseerde elektronen per seconde gedurende de hele levensduur van het universum slechts één keer de omgekeerde evolutie van de toestand van het elektron zou onthullen.

Zelfs in dit geval zou het deeltje niet meer dan een nanoseconde in het verleden reizen. Dit is de reden waarom we dingen niet in omgekeerde tijd waarnemen, want daarvoor zou een verbazingwekkend aantal deeltjes nodig zijn dat zich op veel grotere tijdschalen zou ontvouwen.

Referentie:arXiv:1712.10057 | MIPT

Het vier-fasen-experiment

De onderzoekers analyseerden de staat van een kwantumcomputer gemaakt van 2- en 3-qubits (quantumbits).

1. Bestelling: Aanvankelijk bevindt elke qubit zich in de grondtoestand, wat neerkomt op nul.
2. Degradatie: Start een 'evolutieprogramma' om de toestanden van qubits te veranderen in enen en nullen, of beide tegelijk.
3. Tijdomkering: Een uniek algoritme dat in dit onderzoek is ontwikkeld, verandert de kwantumcomputer zodanig dat deze zich vervolgens in de omgekeerde richting zou bewegen, van chaos naar orde.
4. Regeneratie: Start het evolutieprogramma opnieuw om de toestanden van de qubits terug te spoelen naar het verleden.

Met dank aan onderzoekers 

De 2-qubit kwantumcomputer keerde in 85% van de gevallen terug naar zijn oorspronkelijke staat, terwijl 3-qubit meer fouten liet zien, wat resulteerde in een slagingspercentage van 50%. De fouten zijn ontstaan ​​door de defecten in de bestaande kwantumcomputer. Naarmate er meer geavanceerde kwantumcomputertechnieken worden ontwikkeld, zal het foutenpercentage naar verwachting aanzienlijk afnemen.

Wat nu?

Dit tijdomkeringsalgoritme zou kunnen worden gebruikt om nauwkeurigere kwantumcomputers te ontwikkelen. In de nabije toekomst kan het worden aangepast om software te testen die is geschreven voor kwantumcomputers en om fouten en ruis te verminderen.

Lees:18 meest interessante feiten over kwantumcomputers

De schema's die in deze studie zijn ontwikkeld, scrolden één voor één door de toestandscomponenten, maar maakten geen gebruik van het kwantumparallellisme in zijn volle kracht. De volgende vraag is of het überhaupt mogelijk is om een ​​kwantumalgoritme te ontwikkelen dat tijdomkering efficiënter zou uitvoeren dan het gebruik van O(N) elementaire poorten.