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Fisici invertono il tempo usando un computer quantistico

Invertire la freccia del tempo? Secondo uno studio di ricercatori russi, statunitensi e svizzeri è possibile, ma solo per una frazione di secondo su un computer quantistico.

Un computer quantistico ha invertito la direzione del tempo“, si legge su moltissime testate online. Prima di pensare a “Ritorno al Futuro”, sappiate che si sta parlando di ricerca teorica e molto, molto di base, quindi anche se la notizia ha dell’incredibile, inutili fare voli pindarici.

Cos’è successo esattamente? Un gruppo di ricercatori del Moscow Institute of Physics and Technology, insieme a colleghi statunitensi (Argonne National Laboratory) e svizzeri (ETH Zurich), è riuscita a riportare lo stato di un computer quantistico (un IBM) una frazione di secondo nel passato.

Lo studio, pubblicato su Scientific Reports, è il primo di una serie “sulla possibilità di violare la seconda legge della termodinamica“, ha spiegato Gordey Lesovik, a capo dello studio e alle redini del Laboratory of the Physics of Quantum Information Technology del MIPT. “La legge è strettamente legata alla nozione della freccia del tempo che postula una direzione del tempo a senso unico: dal passato al futuro”, ha aggiunto Lesovik.

“Abbiamo iniziato descrivendo una cosiddetta macchina a moto perpetuo locale del secondo tipo. Poi, a dicembre, abbiamo pubblicato un articolo che parla della violazione della seconda legge tramite un dispositivo chiamato diavoletto di Maxwell”, ha detto Lesovik. “L’articolo più recente affronta lo stesso problema da una terza angolazione: abbiamo creato artificialmente uno stato che si evolve in una direzione opposta a quella della freccia termodinamica del tempo”.

La maggior parte delle leggi fisiche non fa distinzione tra passato e futuro. Non impediscono ad esempio che delle palle che si muovono su un biliardo si uniscano nel triangolo originale o che la lava di un vulcano fluisca al contrario. Il punto è che non vediamo accadere nulla di ciò perché richiederebbe a un sistema isolato di assumere uno stato più ordinato senza alcun intervento esterno, cosa contraria alla seconda legge della termodinamica. La natura di questa legge non è stata spiegata nel dettaglio, ma i ricercatori hanno compiuto grandi progressi nel comprendere i principi alla sua base.

I fisici quantistici del MIPT hanno tuttavia deciso di verificare se il tempo potesse invertirsi spontaneamente, almeno per una singola particella e per una piccola frazione di secondo. Per farlo hanno esaminato un ipotetico elettrone solitario nello spazio interstellare vuoto. “Supponiamo che l’elettrone sia localizzato quando iniziamo ad osservarlo. Ciò significa che siamo abbastanza sicuri della sua posizione nello spazio. Le leggi della meccanica quantistica ci impediscono di conoscerla con assoluta precisione, ma possiamo delineare una piccola regione in cui l’elettrone è circoscritto”, ha affermato il coautore dello studio Andrey Lebedev del MIPT e dell’ETH di Zurigo.

Il fisico spiega che l’evoluzione dello stato dell’elettrone è governata dall’equazione di Schrödinger. Sebbene non faccia alcuna distinzione tra il futuro e il passato, la regione di spazio contenente l’elettrone cresce molto rapidamente a causa dell’entropia. Il sistema tende cioè a diventare più caotico. L’incertezza della posizione dell’elettrone cresce, in modo analogo al maggior disturbo in un sistema su larga scala dovuto alla seconda legge della termodinamica.

“Tuttavia, l’equazione di Schrödinger è reversibile“, aggiunge Valerii Vinokur, un coautore del documento, dell’Argonne National Laboratory. “Matematicamente, significa che sotto una certa trasformazione, chiamata coniugazione complessa, l’equazione descriverà un elettrone sparpagliato (smeared) localizzato nuovamente in una piccola regione dello spazio nello stesso periodo di tempo”. Sebbene questo fenomeno non sia osservabile in natura, potrebbe teoricamente accadere a causa della radiazione cosmica di fondo che permea l’universo.

Il team ha deciso di calcolare la probabilità di osservare un elettrone “sparpagliato” in una frazione di secondo che si localizza spontaneamente nel suo recente passato. Hanno scoperto che anche trascorrendo l’intera vita dell’universo (13,7 miliardi di anni), osservando 10 miliardi di elettroni appena localizzati ogni secondo, l’evoluzione inversa dello stato della particella si verificherebbe una sola volta. E in tal caso, l’elettrone viaggerebbe non più di un decimiliardesimo di secondo nel passato.

Fenomeni su larga scala come l’eruzione di un vulcano si verificano su una scala temporale più grande e presentano un numero incredibile di elettroni e altre particelle. Questo spiega perché non vediamo gli anziani che ringiovaniscono o una macchia d’inchiostro mentre si separa dalla carta.

I ricercatori hanno quindi tentato di invertire il tempo in un esperimento in quattro fasi. Ogni qubit è stato anzitutto inizializzato a uno stato zero, corrispondente alla configurazione altamente ordinata, poi l’ordine è stato degradato con l’avvio di un programma evolutivo che rendeva lo stato del qubit un insieme di “uno” e “zero” sempre più complesso e instabile. La terza fase ha richiesto un programma apposito che ha modificato lo stato del computer quantistico in modo da evolvere “all’indietro”, passando da uno stato caotico ad uno più ordinato. Infine, il programma evolutivo è stato avviato di nuovo, producendo la rigenerazione dello stato iniziale.

stadi esperimento

Invece di un elettrone, hanno osservato lo stato di un computer quantistico costituito da due e poi tre elementi base chiamati qubit superconduttori. Al termine dell’esperimento hanno scoperto che nell’85% dei casi il computer quantistico a due qubit tornava effettivamente allo stato iniziale. Quando sono stati coinvolti tre qubit, si sono verificati più errori, con un conseguente tasso di successo del 50%. Secondo gli autori, questi errori sono dovuti a imperfezioni nell’attuale computer quantistico. Con l’arrivo di dispositivi più sofisticati, il tasso di errore dovrebbe scendere.

Gli studiosi aggiungono infine che l’algoritmo di inversione temporale stesso potrebbe rivelarsi utile per rendere i computer quantistici più precisi. “Il nostro algoritmo potrebbe essere aggiornato e usato per testare programmi scritti per computer quantistici ed eliminare rumore ed errori”, ha concluso Lebedev.