Thời gian đi theo một hướng: về phía trước. Con trai nhỏ trở thành ông già nhưng không phải ngược lại; tách trà vỡ tan nhưng không bao giờ tự động lắp ráp lại. Thuộc tính tàn khốc và bất biến này của vũ trụ, được gọi là "mũi tên thời gian", về cơ bản là hệ quả của định luật nhiệt động lực học thứ hai, cho rằng các hệ thống sẽ luôn có xu hướng trở nên rối loạn hơn theo thời gian. Nhưng gần đây, các nhà nghiên cứu từ Hoa Kỳ và Nga đã bẻ cong mũi tên đó chỉ một chút - ít nhất là đối với các hạt hạ nguyên tử.
Trong nghiên cứu mới, được công bố hôm thứ ba (12 tháng 3) trên tạp chí Khoa học báo cáo, các nhà nghiên cứu đã điều khiển mũi tên thời gian bằng một máy tính lượng tử rất nhỏ làm từ hai hạt lượng tử, được gọi là qubit, thực hiện các phép tính.
Ở quy mô hạ nguyên tử, nơi các quy tắc kỳ lạ của cơ học lượng tử giữ vững, các nhà vật lý mô tả trạng thái của các hệ thống thông qua một cấu trúc toán học gọi là hàm sóng. Hàm này là biểu thức của tất cả các trạng thái có thể có của hệ thống - thậm chí, trong trường hợp của một hạt, tất cả các vị trí có thể có của nó - và xác suất của hệ thống ở bất kỳ trạng thái nào tại bất kỳ thời điểm nào . Nói chung, khi thời gian trôi qua, các hàm sóng trải ra; vị trí có thể của một hạt có thể ở xa hơn nếu bạn đợi một giờ so với khi bạn chờ 5 phút.
Hoàn tác việc truyền bá chức năng sóng cũng giống như cố gắng đưa sữa bị đổ trở lại vào bình. Nhưng đó chính xác là những gì các nhà nghiên cứu đã thực hiện trong thí nghiệm mới này.
"Về cơ bản không có cơ hội điều này xảy ra," nhà nghiên cứu chính Valerii Vinokur, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Illinois, nói với Live Science. "Giống như câu nói đó, nếu bạn cho một con khỉ một máy đánh chữ và nhiều thời gian, nó có thể viết Shakespeare." Nói cách khác, về mặt kỹ thuật là có thể nhưng rất khó có thể là không thể.
Làm thế nào mà các nhà khoa học làm cho điều cơ bản không thể xảy ra? Bằng cách kiểm soát cẩn thận thí nghiệm.
"Bạn thực sự cần rất nhiều sự kiểm soát để làm cho tất cả các mảnh vỡ của tách trà trở lại với nhau", Stephen Bartlett, giáo sư vật lý tại Đại học Sydney, nói với Live Science. Bartlett không tham gia vào nghiên cứu. "Bạn phải có nhiều quyền kiểm soát hệ thống để có thể thực hiện được điều đó và máy tính lượng tử là thứ cho phép chúng ta có quyền kiểm soát rất lớn đối với hệ thống lượng tử mô phỏng."
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy tính lượng tử để mô phỏng một hạt duy nhất, hàm sóng của nó lan ra theo thời gian như một gợn sóng trong ao. Sau đó, họ đã viết một thuật toán trong máy tính lượng tử đảo ngược quá trình tiến hóa thời gian của mọi thành phần đơn lẻ của hàm sóng, về cơ bản kéo gợn đó trở lại hạt tạo ra nó. Họ đã hoàn thành kỳ tích này mà không tăng entropy, hay rối loạn ở những nơi khác trong vũ trụ, dường như bất chấp mũi tên thời gian.
Điều này có nghĩa là các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cỗ máy thời gian? Họ đã vi phạm các định luật vật lý? Câu trả lời là không cho cả hai câu hỏi đó. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói rằng trật tự của vũ trụ phải giảm dần theo thời gian nhưng không phải là nó không bao giờ có thể giữ nguyên như vậy trong những trường hợp rất đặc biệt. Và thí nghiệm này đủ nhỏ, đủ ngắn và đủ kiểm soát để vũ trụ không thu được cũng không mất năng lượng.
"Rất phức tạp và phức tạp để gửi sóng trở lại ao" một khi chúng được tạo ra, Vinokur nói, "nhưng chúng tôi thấy rằng điều này là có thể trong thế giới lượng tử, trong một trường hợp rất đơn giản." Nói cách khác, có thể khi họ sử dụng điều khiển được cung cấp cho họ bởi máy tính lượng tử để hoàn tác hiệu ứng thời gian.
Sau khi chạy chương trình, hệ thống trở lại trạng thái ban đầu 85 phần trăm thời gian. Tuy nhiên, khi một qubit thứ ba được giới thiệu, thí nghiệm chỉ thành công 50%. Các nhà nghiên cứu cho biết độ phức tạp của hệ thống có thể tăng quá nhiều với qubit thứ ba, khiến máy tính lượng tử khó kiểm soát tất cả các khía cạnh của hệ thống. Nếu không có sự kiểm soát đó, entropy không thể được kiểm tra và do đó việc đảo ngược thời gian là không hoàn hảo. Tuy nhiên, họ đang nhắm đến các hệ thống lớn hơn và máy tính lượng tử lớn hơn cho các bước tiếp theo của họ, Vinokur nói với Live Science.
"Công trình là một đóng góp tốt đẹp cho nền tảng của vật lý", James Whitfield, giáo sư vật lý tại Đại học Dartmouth ở New Hampshire, người không tham gia vào nghiên cứu, nói với Live Science. "Nó nhắc nhở chúng ta rằng không phải tất cả các ứng dụng của điện toán lượng tử phải được định hướng ứng dụng để trở nên thú vị."
"Đây chính xác là lý do tại sao chúng tôi xây dựng máy tính lượng tử", Bartlett nói. "Đây là một minh chứng rằng máy tính lượng tử có thể cho phép chúng ta mô phỏng những thứ không nên xảy ra trong thế giới thực."
