Čas tečie dopredu, ale nie vždy. Fyzici ukázali, ako ho v kvantovom systéme prinútiť cúvať

Šálka kávy, ktorú si ráno vypil, sa späť do hrnčeka nevráti. Rozbité vajce sa neposkladá a dym zhasnutej sviečky sa sám nenavinie späť do knôtu. V našom svete čas tvrdohlavo ukazuje jedným smerom. V kvantovej fyzike však tento poriadok nie je taký pevný, ako sa na prvý pohľad zdá.

Fyzici z Los Alamos National Laboratory navrhli postupy, ktoré v kvantových systémoch dokážu potlačiť vznik šípky času alebo ju dokonca otočiť. Výsledky publikovali v časopise Physical Review X. Neznamená to ale, že postavili stroj času. Ukázali, ako prinútiť kvantový systém správať sa tak, akoby sa jeho dej odvíjal opačným smerom.

Prečo čas vôbec tečie jedným smerom

Šípka času je jednoduchá predstava. Keď vidíš video, na ktorom sa pohár rozbije o zem, hneď vieš, či ho niekto prehráva dopredu alebo dozadu. V bežnom svete má väčšina dejov jasné poradie. Káva chladne, ľad sa topí, vôňa sa rozptýli po miestnosti. Samo od seba sa to nevracia späť.

Na mikroskopickej úrovni je to zvláštnejšie. Základné fyzikálne rovnice často fungujú aj vtedy, keď v nich čas matematicky otočíš. Pravidlá hry teda v princípe nehovoria, že všetko musí ísť iba jedným smerom. To, čo poznáme ako šípku času, sa objaví až pri konkrétnych dejoch, meraniach a stratách informácie.

V klasickej fyzike vieme meranie často urobiť tak, aby sme systém výrazne neovplyvnili. Teplomer síce mierne zasiahne do vody, no pri bežnom meraní to väčšinou zanedbáme. V kvantovej fyzike sa to obísť nedá. Keď systém zmeriaš, jeho stav sa náhodne zmení. A práve tento zásah vytvára v kvantovom systéme smerovanie času.

Súvisí s tým

Vedci si mysleli, že je to nemožné. Kvantový signál sa im podarilo „otočiť“ zo Zeme smerom k satelitu

„Na mikroskopickej úrovni základné zákony fyziky pripúšťajú pohyb v čase dopredu aj dozadu. Rovnice fungujú rovnako dobre, ak čas obrátite,“ hovorí fyzik Luis Pedro García-Pintos z Los Alamos National Laboratory.

Tím preto pracoval s meraniami a spätnou väzbou tak, aby vytvoril časovo obrátené stochastické trajektórie. Slovo stochastické tu znamená, že ide o dej s náhodnými krokmi. Nie ako guľôčka, ktorá ide po presnej dráhe na biliardovom stole, ale skôr ako séria náhodných zmien, ktoré majú svoju pravdepodobnosť. Vedci tieto kroky usporiadali tak, aby výsledok pripomínal dej, ktorý sa vyvíja opačne.

Hamiltonián ako diaľkové ovládanie kvantového systému

Kľúčom je takzvaný riadiaci hamiltonián. V bežnej reči si ho môžeš predstaviť ako veľmi presný návod, podľa ktorého fyzici pôsobia na kvantový systém. Hovorí, aké polia a pulzy majú prísť, kedy majú prísť a ako silno majú do systému zasiahnuť. Nie je to tlačidlo „späť v čase“. Skôr veľmi jemné ovládanie systému v momente, keď ho naruší meranie.

Vedci navrhli sekvenciu polí a pulzov, ktorá dokáže napodobniť účinky samotného merania. Keď k tomu pridali spätnú väzbu, mohli rušenie spôsobené meraním vyrovnať, zosilniť alebo zámerne prestreliť opačným smerom. Vtedy vzniknú trajektórie, ktoré zodpovedajú rozmazanej, natiahnutej alebo obrátenej šípke času.

Nie je to situácia, v ktorej by sa laboratórne hodiny začali krútiť dozadu. Obracia sa spôsob, akým sa vyvíja konkrétny kvantový systém. Dobrý obraz je kvapka atramentu vo vode. Normálne sa rozptýli. Ak by si však vedel zasiahnuť do každého mikroskopického pohybu, výsledok by mohol vyzerať tak, akoby sa atrament začal skladať späť do jednej kvapky.

Kvantový démon, ktorý neporušuje fyziku

Celý prístup pripomína slávny myšlienkový experiment Maxwellov démon. V ňom si fyzici predstavili bytosť, ktorá triedi teplé a studené častice tak šikovne, že znižuje entropiu systému. Entropiu si môžeš predstaviť ako mieru neusporiadanosti alebo rozptýlenia energie. Usporiadané vajce v škrupine má iný stav než vajce rozbité na panvici. To druhé sa samo neposkladá späť.

Na prvý pohľad to vyzerá ako porušenie druhého termodynamického zákona. Ten hovorí, že uzavretý systém sa sám od seba nevracia do usporiadanejšieho stavu. Háčik je v tom, že démon potrebuje informácie. Musí vedieť, ktorá častica je rýchla a ktorá pomalá. A keď fyzici započítali náklady na získanie a spracovanie týchto informácií, druhý zákon zostal stáť.

Kvantový „démon“ z Los Alamos pracuje s podobnou logikou. Využíva poznanie stavu systému a výsledky meraní na riadenie procesov, ktoré by sa pri bežnom vývoji neobjavili. Neobchádza fyziku poza jej chrbát. Skôr využíva pravidlá kvantového sveta presne tam, kde sa líšia od našej každodennej skúsenosti.

Keď samotné meranie začne poháňať systém

Tu sa výskum dostáva z rovníc k možnému využitiu. Tím tieto postupy použil pri návrhu takzvaného meracieho motora. Ide o zariadenie, ktoré dokáže získať energiu z procesu merania kvantového systému.

Na prvé počutie to znie podozrivo, akoby vedci sľubovali energiu zadarmo. Tak to však nie je. Meranie v kvantovom svete nie je obyčajné pozeranie. Keď systém zmeriaš, zasiahneš doň, zmeníš jeho stav a spolu s informáciou do hry vstupuje aj energia. Nový prístup ukazuje, ako tento zásah nenechať len tak rozplynúť v okolí, ale premeniť ho na užitočnú prácu. Energia by sa mohla použiť na pohon iného procesu alebo uložiť v kvantovej batérii.

Autori pritom nerátali s ideálnym pokusom, kde všetko prebehne okamžite a bez šumu. Spätná väzba môže meškať a meranie nemusí byť úplne presné. Podľa ich výpočtov by však merací motor mal fungovať aj za takýchto podmienok, čo je kľúčové, ak sa má nápad dostať z papiera do reálneho experimentu.

Najbližšie sú supravodivé qubity

Ďalším krokom má byť experimentálne overenie. Vedci spomínajú najmä supravodivé qubity, teda malé kvantové obvody, s ktorými pracujú aj vývojári kvantových počítačov. Qubit si môžeš predstaviť ako základnú jednotku kvantového počítača, podobne ako je bit základnou jednotkou klasického počítača. Rozdiel je v tom, že qubit sa riadi pravidlami kvantovej fyziky a je oveľa citlivejší na okolie.

Supravodivé qubity sú pre tento výskum zaujímavé preto, že umožňujú rýchlu spätnú väzbu a dobrú účinnosť detekcie. Navyše, kvantové verzie Maxwellovho démona sa na podobných systémoch už podarilo ukázať, takže ide o logického kandidáta na ďalší test.

Nové postupy by sa nemuseli hodiť iba na meracie motory. Tím ich chce využiť aj pri príprave kvantových stavov. To je jedna z veľkých praktických úloh kvantových technológií. Nestačí mať qubity. Treba ich dostať do presného stavu, udržať ich tam a pracovať s nimi skôr, než ich okolie pokazí.

Fyzici z Los Alamos National Laboratory teda nehovoria o cestovaní v čase. Ukazujú skôr to, že v kvantovom systéme nemusí byť šípka času úplne nedotknuteľná. V bežnom svete sa rozbité vajce neposkladá. V laboratóriu však môže vzniknúť proces, ktorý sa na mikroskopickej úrovni správa, akoby sa na chvíľu pohol proti prirodzenému smeru.