Bygger på förra årets banbrytande "tidsomvändning"-experiment, två forskare från Moscow Institute of Physics and Technology och Argonne National Laboratory har publicerat en ny teoretisk studie i Kommunikationsfysik . Medan deras tidigare uppsats handlade om ett fördefinierat kvanttillstånd, den här gången har fysikerna utarbetat ett sätt att tidsvända evolutionen av ett objekt på ett godtyckligt sätt, okänt tillstånd.

En dag skulle ett förbättrat reverseringsschema kunna göra det möjligt för oss att bekräfta att en kvantdator som är så kraftfull fungerar korrekt att den annars skulle kräva en ännu större dator än den själv för att kontrollera, besegra syftet.

Kaos råder över tid

Det finns ett visst naturligt sätt att tillståndet hos ett kvantchip utvecklas om det lämnas åt sig själv:från ordning till kaos. Detta är sant om andra saker, också:Med tiden, våra kroppar blir äldre, konstgjorda strukturer försämras, och medan en isbit kvar på middagsbordet alltid smälter, en annan isbit kommer säkerligen inte att dyka upp i ett glas direkt – även om det kan bero på vad man har druckit.

Genom vardagliga erfarenheter får vi en känsla av tid baserad på distinktionen mellan de generellt mer ordnade tidigare tillstånden och de typiskt mer kaotiska framtida tillstånden i slutna system – sådana som ett glas vatten med en isbit, där smältning är en enkelriktad process. Fysiker kallar detta tidsasymmetri, eller tidens pil. Det härrör från tendensen till oordning, formellt uttryckt av termodynamikens andra lag.

"Ett av våra genombrott, säger en av författarna, Argonnes Valerii Vinokur, "är insikten - som vi omsätter i praktiken - att en kvantdator är en del av den verkliga fysiska världen men tillåter en aldrig tidigare skådad kontroll över dess utveckling i tiden."

Spell bok av algoritmer

Vad många journalister hyllade som en "tidsmaskin" förra året var fysikernas experiment som kortvarigt vände på tidens pil för en kvantdator. Det är, experimentet ägde rum i datorn, initialt i ordnat tillstånd, utvecklas mot större kaos under en kort tidsperiod. Efter det, teamet använde sin tidsreverseringsalgoritm för att modifiera datorns tillstånd på ett sådant sätt att den började spåra vad den än hade gjort tidigare, utvecklas effektivt i omvänd uppspelning tills den antog det ursprungliga ordnade tillståndet.

Haken var att man var tvungen att känna till datorns tillstånd i det ögonblick då tidsomkastningsalgoritmen startade, eftersom det inte var universellt. "Även det kändes som magi, men den omarbetade proceduren är en helt annan sorts genie, om du tillåter analogin, ", kommenterade Vinokur. "Säg att du ville återställa Parthenon till dess ursprungliga prakt. Den gamla anden skulle gå, 'Väl, Jag kan göra det, men du måste ge mig lite information. Jag vill ha en perfekt detaljerad plan över ruinerna som de är nu. Du ser, den där anden hade ingen universell besvärjelse för att vrida tillbaka tiden. Istället, han hade en jättestor bok med trollformler, som ni skulle behöva bläddra igenom tillsammans för att hitta rätt. Mycket tråkig karl."

Rent praktiskt, problemet med att behöva veta vilket tillstånd du vänder är behovet av att spela in det. Detta var egentligen inget problem för den lilla datorn som består av två eller tre kvantbitar, som användes i förra årets studie. Men att skala upp experimentet ökar minneskraven väldigt snabbt:Varje extra qubit fördubblar mängden minne som behövs.

För att ta itu med detta, forskarna kom fram till en universell algoritm, så nu har de en genie att beställa som är tillräckligt flexibel för att anpassa sig till alla scenarion. Oavsett på vilket sätt ett kvantsystem har försämrats, han kan göra sitt magiska trick och spola tillbaka det till dess "ordnade" förflutna. Visserligen, han kommer att be om ton och ton marmor och bränna den med helvetets eldar, men det är aldrig enkelt med andar. Kanske den här är en afreet.

Trollkarls scenrekvisita

Här är ett tankeexperiment som guidar dig genom processen. Föreställ dig att du tog ett gäng vattenmolekyler och använde dem för att göra en mycket unik snöflinga i en perfekt lufttät låda. Bara du vet formen på snöflingan. Du lämnar lådan i rumstemperatur en stund, och detta förstör snöflingan i den. Med den nya tidsomkastningsalgoritmen – och några snygga termiska manipulationer – hävdar forskarna att de kan återställa din snöflinga till dess ursprungliga form. Så här gör du.

Som trollknep går, fysikerna börjar med att komplicera saker och ting lite med scenrekvisita:De kommer att behöva en identisk låda med samma antal vattenmolekyler i — kom ihåg massorna av marmor. Vattnet kan vara i flytande eller gasformigt tillstånd, det spelar ingen roll. Du måste bara garantera att de två lådorna innehåller samma grejer i samma mängd. Håll nu ett öga på det handgrepp som följer.

När en dubbelbox – även känd som hjälpsystemet – är tillgänglig, proceduren omfattar fyra steg.

Steg 1: Termalisering . Sätt tvillingboxen till en mycket hög temperatur genom att sätta den i kontakt med en mycket het kropp, kallas värmereservoar.

Steg 2: Separation . Koppla bort värmebehållaren.

Steg 3: Manipulation . Kör en så kallad icke-komplett kvantbytesoperation mellan tvillingboxen och den ursprungliga.

Steg 4: Upprepande . Upprepa steg 1 till 3 ett ogudaktigt antal gånger.

Den sekvensen inducerar ett tidsomvänt tillstånd av originallådan med den förstörda snöflingan, vilket betyder att det omedelbart kommer att börja spåra tillbaka sitt senaste förflutna tills det antar det ursprungliga tillståndet, fryser tillbaka till exakt samma form som du tänkt dig. Voila!

Papperet i Kommunikationsfysik ger en formel för hur många gånger ovanstående cykel måste upprepas för att vända tillståndet för ett givet system med avseende på tid. Det är, att knuffa det på exakt rätt sätt för att säkerställa en utveckling bakåt från det nuvarande tillståndet mot tidigare tillstånd i det förflutna. Kortfattat, antalet är enormt, och det växer snabbt med systemets komplexitet och med hur långt tillbaka i tiden det är tänkt att gå.

Pimpa min qubit

Givetvis kommer Parthenon förmodligen att få vänta, men teamet är optimistiskt om ett möjligt experiment som kortvarigt skulle vända på en enkel dator som består av ett litet antal kvantbitar. Med två qubits, till exempel, det skulle ta minst 16 cykelrepetitioner, med tre är det 64, och så vidare.

Ett sådant experiment är genomförbart med dagens teknik, men problemet är att de allmänt tillgängliga maskinerna – som IBMs kvantdator som användes i förra årets studie – inte stöder termalisering, vilket är det första steget i cykeln. Nu när jag tänker efter, att förvänta sig att delade anläggningar har speciella funktioner av detta slag är som att be din lokala bildelningstjänst om en hoppande lowrider. Så den här gången väntar ett vändningsexperiment på ett team som är villigt att "pimpa upp" en egen kvantdator, anpassa den med en stor dålig värmebehållare.

Även om kvantmekaniken som sådan är notoriskt kontraintuitiv, det finns en aspekt av den nya tidsomkastningsalgoritmen som får även fysiker att klia sig i huvudet. "I allmänhet, ju varmare ett system, desto mer oorganiserat blir det. Så om du tänker efter, vad vi gör är att använda ett verktyg förknippat med totalt kaos – värmereservoaren – för att skapa ordning, ", förklarade Andrey Lebedev. "Vi utsätter upprepade gånger hjälpsystemet för en extremt hög temperatur med det slutliga målet att observera det primära systemets kalla och ordnade förflutna. Det är en paradox som vi ännu inte har koll på."

Hur man testar någon som är smartare än dig själv

Universella tidsreverseringsalgoritmer kan användas i framtiden för att verifiera att en kvantdator fungerar korrekt, och kvantfördelar har uppnåtts. Saken är den, när en kvantdator är mycket kraftfullare än andra datorer, hur bekräftar du att den inte är utsatt för fel utan en jämförbar felsäker enhet?

När en 52-qubit maskin kör en avancerad kvantalgoritm, det kommer att producera ett enormt komplext kvanttillstånd. Det konventionella sättet att säkerställa att inga fel har gjorts skulle kräva en fullständig beskrivning av sluttillståndet. Dock, det skulle vara bortom mänsklighetens krafter.

Det är där universella tidsreverseringsalgoritmer kommer in. Om du kan köra beräkningen baklänges och inte bryr dig om sluttillståndet spolar du tillbaka, ' då finns det ingen anledning att beskriva det. Du ser bara till att komma tillbaka till exakt där du började.

Så när kvantdatorer börjar göra vetenskapliga upptäckter, Tidsomkastning kommer att vara praktiskt för att bekräfta att det är giltiga slutsatser om världen snarare än ett kvantfel av episka proportioner.