فیزیکدانان روش کنترل کوانتومی ابداع کردند که جریان زمان را معکوس نشان می‌دهد

در یک پیشرفت که درک بنیادی ما از واقعیت را به چالش می‌کشد، فیزیکدانان در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (Los Alamos) تکنیکی را توسعه داده‌اند تا یک سیستم کوانتومی طوری رفتار کند که گویی زمان به عقب جریان دارد.

تیم تحقیقاتی با به‌کارگیری یک توالی بسیار دقیق از پالس‌های الکترومغناطیسی، «پیکان زمان»—مفهومی که زمان صرفاً از گذشته به آینده حرکت می‌کند—را با موفقیت دستکاری کردند.

اگرچه این کشف منجر به ساخت وسایل نقلیه سفر در زمان نخواهد شد، اما دریچه‌ای را به سوی «موتورهای اندازه‌گیری» انقلابی باز می‌کند که قادرند انرژی را مستقیماً از عمل مشاهده ذرات کوانتومی برداشت کنند.[2]

ادعای اصلی که این تحقیق را پیش می‌برد این است که پیکان زمان در سطح میکروسکوپی اساساً انعطاف‌پذیر است، که تضاد شدیدی با قوانین سخت و غیرقابل تغییر دنیای روزمره ما دارد.

در قلمرو ماکروسکوپی، جهت زمان توسط آنتروپی و قانون دوم ترمودینامیک تعیین می‌شود. یک لیوان افتاده می‌شکند و شیر ریخته شده نمی‌تواند خود به خود دوباره در فنجان جمع شود؛ این فرآیند کاملاً برگشت‌ناپذیر است.

با این حال، در سطح کوانتومی، معادلات بنیادی فیزیک کاملاً متقارن نسبت به زمان هستند. قوانین ریاضی حاکم بر ذرات زیراتمی به طور یکسان عمل می‌کنند، چه یک فرآیند به جلو اجرا شود و چه به عقب.

پیچیدگی زمانی ایجاد می‌شود که یک سیستم کوانتومی واقعاً اندازه‌گیری می‌شود. عمل مشاهده، حالت ظریف برهم‌نهی (superposition) سیستم را فرو می‌پاشد، تصادفی بودن را وارد می‌کند و یک پیکان زمانی یک‌طرفه و تصادفی (استوکاستیک) را تحمیل می‌کند.[1]

دومین ادعای اصلی مطالعه لوس آلاموس این است که این پیکان زمان ناشی از اندازه‌گیری را می‌توان به طور مصنوعی با استفاده از ابزاری تخصصی به نام «هامیلتونی کنترل» (control Hamiltonian) معکوس کرد.[1]

محققان با انتشار یافته‌های بازبینی‌شده خود در مجله Physical Review X، جزئیات طراحی یک توالی از میدان‌ها و پالس‌های الکترومغناطیسی را شرح دادند که به عنوان یک حلقه بازخورد عمل می‌کند.[1]

این مکانیسم بازخورد به طور کامل کالیبره شده است تا تغییرات تصادفی ناشی از اندازه‌گیری اولیه را خنثی کند و عملاً سیستم کوانتومی را در مسیر قبلی خود به عقب هدایت نماید.

نتیجه سیستمی است که از نظر آماری به گونه‌ای تکامل می‌یابد که بیشتر با جریان زمان به عقب سازگار است تا به جلو، و با موفقیت «کمی‌سازهای» ریاضی را که معمولاً حرکت رو به جلوی زمان را دیکته می‌کنند، «فریب می‌دهد».

سومین و مسلماً کاربردی‌ترین ادعا این است که می‌توان از این تکنیک معکوس‌سازی زمان برای استخراج انرژی قابل استفاده از قلمرو کوانتومی بهره برد.

در فیزیک کلاسیک، صرفاً نگاه کردن به یک شیء—مانند بررسی دماسنج—حالت انرژی آن را تغییر نمی‌دهد. اما در حوزه کوانتومی، عمل اندازه‌گیری ذاتاً انرژی را به سیستم تزریق یا از آن استخراج می‌کند.[2]

محققان با معکوس کردن پیکان زمان، یک «موتور اندازه‌گیری» نظری را نشان دادند که نوسانات انرژی ناشی از مشاهده را جذب کرده و آنها را به بازده انرژی خالص مثبت تبدیل می‌کند.

این مکانیسم اساساً به عنوان یک باتری کوانتومی عمل می‌کند و روشی کاملاً جدید برای تأمین انرژی کامپیوترهای کوانتومی آینده بدون اتکا به چرخه‌های حرارتی ترمودینامیکی سنتی ارائه می‌دهد.[2]

با وجود پیامدهای عمیق این پیشرفت، محققان در مورد مقیاس‌پذیری فوری این فناوری، عدم قطعیت شفافی را حفظ می‌کنند.

لوئیس پدرو گارسیا-پینتوس (Luis Pedro García-Pintos)، فیزیکدان ارشد، به صراحت هشدار داده است که شواهد قویاً از معکوس شدن زمان تنها در سیستم‌های میکروسکوپی و ایزوله حمایت می‌کنند؛ این امر مطلقاً به اشیاء ماکروسکوپی یا انسان‌ها قابل تعمیم نیست.

علاوه بر این، مقیاس‌بندی این پروتکل‌های کنترلی برای مدیریت همزمان هزاران کیوبیت، یک چالش مهندسی بزرگ باقی می‌ماند، زیرا سیستم‌های کوانتومی به شدت مستعد «واهمدوسی» (decoherence) ناشی از تداخل محیطی هستند.[2]

پروتکل‌های فعلی نیازمند ایزوله‌سازی تقریباً کامل هستند، وضعیتی که حفظ آن در خارج از یخچال‌های رقیق‌سازی فوق‌سرد و بسیار کنترل‌شده مورد استفاده در آزمایشگاه‌های پیشرفته، فوق‌العاده دشوار است.[2]

در نهایت، این تحقیق یک تغییر بنیادی در درک ما از ترمودینامیک کوانتومی ایجاد می‌کند، ثابت می‌کند که پیکان زمان قابل دستکاری است و جعبه ابزار جدیدی را برای ساخت فناوری‌های کوانتومی فوق‌العاده کارآمد باز می‌کند.[1]