آیا زمان می‌تواند به عقب برگردد؟ دستاورد جدید کوانتومی نگاه ما به جهت زمان را به چالش می‌کشد

به گزارش آذرنگارنده:

پژوهشگران آزمایشگاه ملی لس‌آلاموس در مطالعه‌ای جدید نشان داده‌اند که در مقیاس کوانتومی ممکن است بتوان «جهت زمان» را دستکاری کرد؛ به‌طوری که رفتار یک سامانه کوانتومی گاهی بیشتر شبیه حرکت رو به عقب در زمان به نظر برسد تا حرکت رو به جلو. نتایج این تحقیق در مجله علمی Physical Review X منتشر شده است.

در زندگی روزمره، زمان همواره رو به جلو حرکت می‌کند و گذشته هرگز بازنمی‌گردد. اما در سطح بنیادی فیزیک، بسیاری از معادلات نظری—به‌ویژه در مکانیک کوانتومی—در برابر وارونگی زمان متقارن هستند؛ یعنی اگر جهت زمان در آن‌ها برعکس شود، همچنان معتبر باقی می‌مانند.

در این پژوهش، دانشمندان مجموعه‌ای از روش‌های کنترل کوانتومی طراحی کردند که با ترکیب اندازه‌گیری، بازخورد و میدان‌های کنترلی دقیق می‌تواند «پیکان زمان» در یک سامانه کوانتومی را تضعیف یا حتی وارونه جلوه دهد. به بیان دیگر، این روش‌ها می‌توانند شرایطی ایجاد کنند که رفتار سامانه بیشتر شبیه حالتی باشد که گویی زمان در آن به عقب جریان دارد.

سامانه‌های کوانتومی—مانند مجموعه‌ای از کیوبیت‌ها—طبق قوانین مکانیک کوانتومی عمل می‌کنند. در این مقیاس، اندازه‌گیری تنها به مشاهده محدود نمی‌شود، بلکه می‌تواند وضعیت سامانه را تغییر دهد. پژوهشگران از همین ویژگی استفاده کردند تا مسیرهای دینامیکی ویژه‌ای ایجاد کنند که شبیه تکامل زمانی معکوس به نظر می‌رسند.

«لوئیس پدرو گارسیا-پینتوس»، فیزیکدان آزمایشگاه ملی لس‌آلاموس، می‌گوید در سطح میکروسکوپی بسیاری از قوانین بنیادی فیزیک میان حرکت رو به جلو و رو به عقب در زمان تفاوتی قائل نمی‌شوند. به گفته او، ابزارهای توسعه‌یافته در این تحقیق می‌توانند جهت ظاهری زمان در سامانه‌های کوانتومی را دستکاری کنند و راه‌های تازه‌ای برای کنترل این سامانه‌ها فراهم آورند.

در این پژوهش، تیم علمی با طراحی یک هامیلتونی کنترل‌شده—مجموعه‌ای برنامه‌ریزی‌شده از میدان‌ها و پالس‌ها—توانست اثر اندازه‌گیری‌ها را تقلید کند. این سازوکار در یک فرایند بازخوردی می‌تواند اختلال ناشی از اندازه‌گیری را خنثی، تقویت یا حتی بیش‌ازحد اصلاح کند. نتیجه این کار ایجاد مسیرهایی است که در آن‌ها «پیکان زمان» کشیده، محو یا حتی معکوس به نظر می‌رسد.

این ایده از نظر مفهومی یادآور آزمایش فکری معروف «دیو ماکسول» است؛ آزمایشی ذهنی از قرن نوزدهم که در آن موجودی فرضی با مرتب‌کردن ذرات داغ و سرد، آنتروپی یک سامانه را کاهش می‌دهد. در نسخه کوانتومی این پژوهش، نوعی «دیو کوانتومی» با استفاده از اطلاعات حاصل از اندازه‌گیری‌ها می‌تواند فرآیندهایی غیرمعمول ایجاد کند که جهت معمول زمان در سامانه را تغییر می‌دهند.

یکی از پیامدهای بالقوه این فناوری، امکان استخراج انرژی از فرآیند اندازه‌گیری در سامانه‌های کوانتومی است. در چنین حالتی، عمل مشاهده خود می‌تواند به یک منبع ترمودینامیکی تبدیل شود و انرژی قابل استفاده برای فرآیندهای دیگر یا حتی ذخیره در «باتری‌های کوانتومی» فراهم کند.

پژوهشگران در گام‌های بعدی قصد دارند این روش‌ها را در سامانه‌های واقعی آزمایش کنند؛ از جمله در کیوبیت‌های ابررسانا که امکان بازخورد سریع و آشکارسازی بسیار دقیق را فراهم می‌کنند. این فناوری‌ها پیش‌تر نیز برای نمایش نسخه‌های کوانتومی «دیو ماکسول» استفاده شده‌اند.

دانشمندان معتقدند این دستاورد می‌تواند ابزارهای جدیدی برای کنترل سامانه‌های کوانتومی، آماده‌سازی حالت‌های کوانتومی و توسعه فناوری‌های کوانتومی آینده فراهم کند.