Prošli je tjedan u svjetskim medijima odjeknula vijest kako su znanstvenici prvi put u povijesti uspjeli “vratiti vrijeme”. Naravno, nije riječ o otkriću vremenskog stroja, nije izgledno da ćemo za koju godinu putovati natrag kroz vrijeme i moći upoznati svoje pretke, no radi se svejedno o impresivnom postignuću, koje nudi odgovor na jedno od temeljnih pitanja fizike, a istodobno nudi i praktične aplikacije u razvoju jedne od najuzbudljivijih tehnoloških grana 21. stoljeća - kvantnom računarstvu.
Kako bismo bolje razumijeli vrlo suhoparne i tehničke detalje istraživanja objavljenog u znanstvenom časopisu Scientific Reports, razgovarali smo s fizičarom Valerijem Vinokourom, voditeljem istraživanja, koji nam je pojasnio što je točno njegov tim postigao i koja je važnost njihova otkrića.
Što je Vinokourov tim uspio?
Najjednostavnijim rječnikom, novinski naslovi bili su u pravu - vratili su vrijeme za jedan par simuliranih čestica. Vinokour nam je posebno istaknuo kako se ne radi o “simulaciji” u smislu računalnog programa - simulacija čestica izvedena je uz pomoć fizičkog, analognog sustava: dva qubita - kvantna bita, umjetnih atoma iz IBM-ova kvantnog računala. Zabilježili su stanje qubita na početku fizikalnog procesa, potom ih ostavili na miru da se razvijaju prema zadanom algoritmu, a potom pokrenuli proces koji ih je uspješno vratio na početak. Od oko 1000 pokušaja, uspjeli su vratiti qubite u početno stanje čak u 85% slučajeva.
Može li se to jednostavnije objasniti?
Dr. Vinokour ponudio nam je kao paralelu priču o čudnovatom slučaju Benjamina Buttona. “Uzeli smo jednog čovjeka i zabilježili trenutak kada smo ga prvi put proučili”, rekao nam je. “Potom smo ga pustili da na miru živi godinu dana. Nakon godine dana, napravili smo jednu manipulaciju i stavili ga u crnu kutiju. Ne brinite, to je ugodna crna kutija, ima u njoj sve što mu treba za normalan život. Nakon godine dana, pustili smo ga van i ponovno proučili. Ne samo da nije ostario, nego je bio identičan kao i godinu dana prije nego što je ušao u kutiju.”
Možemo li stvarno tako pomladiti ljude?
Ne. Manipulacija koju su Vinokour i njegov tim izveli bila je moguća samo zato što je bila riječ o strogo kontroliranom, izoliranom sustavu s vrlo malo “pomičnih dijelova” - dva. Sama činjenica da je manipulacija većeg broja čestica nemoguća argument je i za ključnu tezu istraživanja - objašnjenje zašto je “strijela vremena” u svemiru u kojem živimo jednosmjerna.
Što je “strijela vremena”?
Fizičare već gotovo cijelo stoljeće muči jedno naizgled jednostavno pitanje - zašto se vrijeme kreće samo u jednom smjeru? Svi zakoni fizike, na papiru, trebali bi vrijediti i u slučaju da se vrijeme kreće unatrag. Zamislite snimku sudara dviju biljarskih kugli. Nakon udarca, jedna ostaje na mjestu, a druga se nastavlja kretati. Kada bi se ta snimka pustila unatrag, ne bi se moglo znati koja je snimka “prava” - obje prikazuju sudar, jednu kuglu koja ostaje na mjestu i jednu koja nastavlja dalje.
No, kada bi se snimilo “razbijanje” okvira s kuglama i pustilo unatrag, svi bi znali koja je snimka prava - u stvarnosti je nemoguće da se sve kugle uredno poslože u trokut i zaustave. To povećanje kaosa - entropije - u praksi određuje “smjer” vremena.
Dr. Vinokour nam je kao primjer naveo razbijanje valova o stijenu - koliko bi teško bilo odaslati takve valove da se, nakon sudara s neravnom stijenom, uredno poslože u samo jedan val?
Zašto je bilo potrebno kvantno računalo?
U kvantnim računalima umjesto digitalnih bitova imamo analogne qubitove - koji osim podataka “1” i “0” mogu poprimiti i brojne međuvrijednosti, čak i istovremeno. Dr. Vinokour usporedio je kvantnu tehnologiju s nosačima zvuka - nekada smo imali analogne, vinilske ploče, gdje bi dubina i oblik utora zabilježavali zvuk, no poslije smo ih zamijenili digitalnim sustavima u kojima je sve bilo zabilježeno uz pomoć nula i jedinica. Kvantno računalo novi je korak naprijed u razvoju tehnologije - kombinira pouzdanost digitalnih sustava s fleksibilnošću i preciznošću analognih. Za ovaj je eksperiment kvantno računalo bilo nužno, jer je nudilo maksimalno izolirani, zatvoreni sustav malog broja čestica kojima se može izravno manipulirati.
Koje su implikacije najnovijeg istraživanja?
Dr. Vinokour i njegov tim uvjereni su da su objasnili razlog zašto u stvarnosti “strijela vremena” pokazuje samo u jednom smjeru - precizne uzroke složenosti fizičkih procesa koji sprečavaju prirodu da se “vraća unatrag”, barem na kvantnoj razini. “Da smo bili u krivu, sustav se nikada ne bi vratio u svoje početno stanje”, rekao nam je.
Testirali su svoju hipotezu na jednostavnom sustavu - simulaciji praznog prostora i širenja elektromagnetskog zračenja. “Kada smo shvatili kako dolazi do te složenosti, shvatili smo kako završiti algoritam koji je može poništiti”.
Ima li istraživanje i moguće praktične primjene?
Na ovo pitanje dr. Vinokour ispričao nam je kratku anegdotu o prvom slanju radiosignala. Signal je poslan s Labradora, a zaprimljen je u Chicagu. Mediji su to tada bombastično popratili i znanstvenike pitali “koje bi praktične koristi mogli imati od toga”. Znanstvenici su im odgovorili: “Hvala na čestitkama! Mi vjerujemo da neće imati nikakve praktične primjene”.
Za razliku od prvog testiranja radiosignala, dr. Vinokour već sad vidi najmanje jednu korisnu primjenu otkrivenih algoritama. Primarna svrha kvantnih računala je za računanje, no ona su zasad izrazito osjetljiva. Podrhtavanja tla, sunčevo zračenje, Zemljino magnetsko polje... koliko god izolirali qubite, uvijek postoji opasnost da će nešto utjecati na njih.
Zbog prirode qubita, iznimno je bitno da ništa ne utječe na njih dok izvršavaju svoje kalkulacije - bilo kakva interakcija s vanjskim svijetom izvan zatvorenog sustava urušila bi valnu funkciju i omela ih u radu. Tu dolazi do dva problema - prvi, kvantna računala podložna su greškama ako ih nešto neplanirano omete, i drugi, kad biste bacili pogled na qubite kako biste bili sigurni da nije došlo do greške, omeli biste ih u radu i doveli do greške.
Kao potencijalno rješenje nudi se algoritam Vinokourova tima - nakon završene kalkulacije, “okrenuo bi vrijeme unatrag” i vratio qubite u početno stanje. Ako nije bilo nikakve greške, vratili bi se “u prošlost”, no ako su bili izloženi bilo kakvoj interferenciji, nakon “povratka u prošlost” izgledali bi drukčije nego što su stvarno izgledali prije kalkulacije. Upravo to se i dogodilo u 15% slučajeva, zbog čega je algoritam radio samo 85% vremena.
Danas, kako bi minimalizirali grešku, kvantna računala koriste algoritme za korekciju grešaka i dodjeljuju jedan ili više qubita korekciji. “Postoje prekrasni programi za korekciju grešaka, no postoji jedan problem”, objasnio nam je dr. Vinokour: “kako bi ih pokrenulo, kvantno računalo mora odraditi još više posla, što otpušta još više topline, što stvara još više pogrešaka”.
“Ako bismo svoju proceduru za okretanje vremena uspjeli ugraditi u program, s vremena na vrijeme bismo mogli vratiti računalo u početno stanje, kada nije imalo pogrešaka, i krenuti s novim izračunima ispočetka”, rekao nam je.