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Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou se sont associés à des collègues des États-Unis et de la Suisse pour restituer l'état de l'ordinateur quantique une fraction de seconde plus tard. Ils ont également calculé la probabilité qu'un électron dans un espace interstellaire vide revienne spontanément dans son passé récent. L' étude est publiée dans Scientific Reports .

"Ce document fait partie d'une série d'articles sur la possibilité de violer la  . Cette loi est étroitement liée à la notion de flèche du temps qui établit le sens du temps à sens unique du passé vers le futur", Gordey Lesovik, principal auteur de l’étude, qui dirige le Laboratoire de physique des technologies de l’information quantique du MIPT.

"Nous avons commencé par décrire une soi-disant machine locale à mouvement perpétuel du second type. Puis, en décembre, nous avons publié un article qui traitait de la violation de la seconde loi via un dispositif appelé le démon de Maxwell", a déclaré Lesovik. "L'article le plus récent aborde le même problème sous un troisième angle: nous avons créé artificiellement un état qui évolue dans une direction opposée à celle de la flèche thermodynamique du temps."

Qu'est-ce qui différencie l'avenir du passé?

La plupart des lois de la physique ne font aucune distinction entre le futur et le passé. Par exemple, supposons qu'une équation décrive la collision et le rebond de deux boules de billard identiques. Si un gros plan de cet événement est enregistré avec une caméra et lu en sens inverse, il peut toujours être représenté par la même équation. De plus, il n'est pas possible de distinguer de l'enregistrement s'il a été trafiqué. Les deux versions semblent plausibles. Il semblerait que les boules de billard défient le sens intuitif du temps.

Cependant, imaginez enregistrer une boule de choc brisant la pyramide, les boules de billard se dispersant dans toutes les directions. Dans ce cas, il est facile de distinguer le scénario réel de la lecture inversée. Notre compréhension intuitive de la seconde loi de la thermodynamique est que ce dernier a l'air si absurde: un système isolé reste statique ou évolue vers un état de chaos plutôt que d'ordre.

La plupart des autres lois de la physique n'empêchent pas les boules de billard roulantes de s'assembler en une pyramide, le thé infusé de refluer dans le sachet de thé, ou un volcan de "faire irruption" à l'envers. Mais ces phénomènes ne sont pas observés, car ils imposeraient à un système isolé d’assumer un état plus ordonné sans aucune intervention extérieure, ce qui est contraire à la deuxième loi. La nature de cette loi n'a pas été expliquée en détail, mais les chercheurs ont beaucoup progressé dans la compréhension des principes fondamentaux qui la sous-tendent.

Inversion temporelle spontanée

Les physiciens quantiques de MIPT ont décidé de vérifier si le temps pouvait spontanément s'inverser, du moins pour une particule donnée et pour une fraction de seconde. C'est-à-dire qu'au lieu d'entrer en collision avec des boules de billard, ils ont examiné un électron solitaire dans un espace interstellaire vide.

"Supposons que l'électron soit localisé lorsque nous commençons à l'observer. Cela signifie que nous sommes assez sûrs de sa position dans l'espace. Les lois de la mécanique quantique nous empêchent de le savoir avec une précision absolue, mais nous pouvons définir une petite région où l'électron est localisé ", a déclaré Andrey Lebedev, co-auteur de l'étude, de MIPT et de l'ETH Zurich.

Le physicien explique que l'évolution de l'état électronique est régie par l'équation de Schrödinger. Bien que cela ne fasse aucune distinction entre le futur et le passé, la région de l’espace contenant l’électron s’étalera très vite. C'est-à-dire que le système tend à devenir plus chaotique. L'incertitude de la position de l'électron augmente. Ceci est analogue au désordre croissant dans un système à grande échelle - tel qu'une table de billard - en raison de la deuxième loi de la thermodynamique.

 

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Les quatre étapes de l'expérience réelle sur un ordinateur quantique reflètent les étapes de l'expérience de pensée impliquant un électron dans l'espace et l'analogie imaginaire avec des boules de billard. Chacun des trois systèmes évolue d'abord d'un ordre à un chaos, mais une perturbation externe parfaitement synchronisée inverse ce processus. Crédit: @ tsarcyanide / MIPT

"Cependant, l'équation de Schrödinger est réversible", ajoute Valerii Vinokur, co-auteur de l'article, du Argonne National Laboratory, aux États-Unis. "Mathématiquement, cela signifie que sous une certaine transformation appelée conjugaison complexe, l'équation décrira un" frottis " électron se localisant dans une petite région de l’espace au cours de la même période. " Bien que ce phénomène ne soit pas observé dans la nature, il pourrait théoriquement se produire en raison d’une fluctuation aléatoire du fond diffus cosmologique hyperfréquence de l’univers.

 

L’équipe a entrepris de calculer la probabilité d’observer un électron "étalé" sur une fraction de seconde se localisant spontanément dans son passé récent. Il s'est avéré que même pendant toute la durée de vie de l'univers - 13,7 milliards d'années - en observant 10 milliards d'électrons fraîchement localisés chaque seconde, l'évolution inverse de l'état de la particule ne se produirait qu'une seule fois. Et même alors, l'électron ne voyagerait pas plus d'un dix milliardième de seconde dans le passé.

Les phénomènes à grande échelle impliquant des boules de billard et des volcans se déroulent évidemment sur des échelles de temps beaucoup plus grandes et comportent un nombre incroyable d'  et d'autres particules. Ceci explique pourquoi nous n'observons pas de personnes âgées rajeunissant ni de taches d'encre se séparant du papier.

Inverser le temps sur demande

Les chercheurs ont ensuite tenté d’inverser le temps dans le cadre d’une expérience en quatre étapes. Au lieu d'un électron, ils ont observé l'état d'un ordinateur quantique constitué de deux et plus de trois éléments de base appelés qubits supraconducteurs.

  • Étape 1: Commande. Chaque qubit est initialisé à l'état fondamental, noté zéro. Cette configuration hautement ordonnée correspond à un électron localisé dans une petite région ou à un rack de boules de billard avant la pause.
  • Étape 2: Dégradation. L'ordre est perdu. Tout comme l’électron est étalé sur une zone de plus en plus vaste ou le bâti est cassé sur la table de billard, l’état des qubits devient un motif changeant toujours plus complexe de zéros et de nuls. Ceci est réalisé en lançant brièvement le programme d'évolution sur l'ordinateur quantique. En réalité, une dégradation similaire se produirait d'elle-même en raison d'interactions avec l'environnement. Cependant, le programme contrôlé d'évolution autonome permettra la dernière étape de l'expérience.
  • Étape 3: inversion du temps. Un programme spécial modifie l'état de l'ordinateur quantique de telle sorte qu'il évolue ensuite "à l'envers" du chaos vers l'ordre. Cette opération s'apparente à la fluctuation aléatoire du fond hyperfréquence dans le cas de l'électron, mais cette fois, elle est délibérément induite. Une analogie bien tirée pour l'exemple du billard serait de donner à la table un coup de pied parfaitement calculé.
  • Étape 4: Régénération. Le programme d'évolution de la deuxième étape est relancé. Pourvu que le coup de pied ait été donné avec succès, le programme n'entraîne pas plus de chaos mais ramène plutôt l'état des qubits dans le passé, la façon dont un électron barbouillé serait localisé ou les billes de billard retraceraient leurs trajectoires à l'envers la lecture, finissant par former un triangle.

Les chercheurs ont découvert que, dans 85% des cas, l’ordinateur quantique à deux qubits était revenu à l’état initial. Lorsque trois qubits étaient impliqués, d'autres erreurs se produisaient, entraînant un taux de réussite d'environ 50%. Selon les auteurs, ces erreurs sont dues à des imperfections dans l'ordinateur quantique réel. À mesure que des appareils plus sophistiqués sont conçus, le taux d'erreur devrait diminuer.

Fait intéressant, l’algorithme d’inversion temporelle lui-même pourrait s’avérer utile pour rendre les ordinateurs quantiques plus précis. "Notre algorithme pourrait être mis à jour et utilisé pour tester les programmes écrits pour  ordinateurs  et éliminer le bruit et les erreurs", a expliqué Lebedev.