De tijd gaat in één richting: vooruit. Kleine jongens worden oude mannen, maar niet andersom; theekopjes versplinteren maar komen nooit spontaan weer in elkaar. Deze wrede en onveranderlijke eigenschap van het universum, de 'pijl van de tijd' genoemd, is in wezen een gevolg van de tweede wet van de thermodynamica, die dicteert dat systemen in de loop van de tijd altijd meer wanordelijk zullen worden. Maar recentelijk hebben onderzoekers uit de Verenigde Staten en Rusland die pijl een beetje gebogen - tenminste voor subatomaire deeltjes.
In de nieuwe studie, die dinsdag (12 maart) in het tijdschrift Scientific Reports werd gepubliceerd, manipuleerden onderzoekers de pijl van de tijd met behulp van een zeer kleine kwantumcomputer gemaakt van twee kwantumdeeltjes, bekend als qubits, die berekeningen uitvoerden.
Op de subatomaire schaal, waar de vreemde regels van de kwantummechanica de scepter zwaaien, beschrijven natuurkundigen de toestand van systemen door middel van een wiskundig construct dat een golffunctie wordt genoemd. Deze functie is een uitdrukking van alle mogelijke toestanden waarin het systeem zich zou kunnen bevinden - zelfs, in het geval van een deeltje, alle mogelijke locaties waarin het zich zou kunnen bevinden - en de waarschijnlijkheid dat het systeem zich op een bepaald moment in een van die toestanden bevindt . Over het algemeen spreiden golffuncties zich na verloop van tijd uit; de mogelijke locatie van een deeltje kan verder weg zijn als je een uur wacht dan als je 5 minuten wacht.
Het ongedaan maken van de verspreiding van de golffunctie is als proberen gemorste melk terug in de fles te doen. Maar dat is precies wat de onderzoekers in dit nieuwe experiment hebben bereikt.
"Er is in feite geen kans dat dit vanzelf gebeurt", vertelde hoofdonderzoeker Valerii Vinokur, een natuurkundige aan het Argonne National Laboratory in Illinois, aan WordsSideKick.com. 'Het is hetzelfde gezegde: als je een aap een typemachine en veel tijd geeft, mag hij Shakespeare schrijven.' Met andere woorden, het is technisch mogelijk, maar zo onwaarschijnlijk dat het net zo goed onmogelijk kan zijn.
Hoe hebben de wetenschappers het in wezen onmogelijke mogelijk gemaakt? Door het experiment zorgvuldig te controleren.
"Je hebt echt veel controle nodig om alle gebroken stukjes van een theekopje weer bij elkaar te krijgen", vertelde Stephen Bartlett, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Sydney, aan WordsSideKick.com. Bartlett was niet betrokken bij het onderzoek. "Je moet veel controle hebben over het systeem om dat te kunnen doen ... en een quantumcomputer is iets dat ons een enorme hoeveelheid controle geeft over een gesimuleerd quantumsysteem."
De onderzoekers gebruikten een kwantumcomputer om een enkel deeltje te simuleren, de golffunctie verspreidde zich in de loop van de tijd als een rimpel in een vijver. Vervolgens schreven ze een algoritme in de kwantumcomputer die de tijdevolutie van elk afzonderlijk onderdeel van de golffunctie omkeerde, waardoor die rimpel in feite terug werd getrokken in het deeltje dat het maakte. Ze bereikten deze prestatie zonder de entropie of wanorde elders in het universum te vergroten, schijnbaar de pijl van tijd tartend.
Betekent dit dat de onderzoekers een tijdmachine hebben gemaakt? Schonden ze de natuurwetten? Het antwoord is nee op beide vragen. De tweede wet van de thermodynamica zegt dat de orde van het heelal in de loop van de tijd moet afnemen, maar niet dat het in zeer bijzondere gevallen nooit hetzelfde kan blijven. En dit experiment was klein genoeg, kort genoeg en gecontroleerd genoeg dat het universum geen energie won of verloor.
"Het is erg complex en gecompliceerd om golven op een vijver terug te sturen" nadat ze zijn gemaakt, zei Vinokur, "maar we zagen dat dit mogelijk was in de kwantumwereld, in een heel eenvoudig geval." Met andere woorden, het was mogelijk wanneer ze de controle gebruikten die hun door de kwantumcomputer was gegeven om het effect van de tijd ongedaan te maken.
Na het uitvoeren van het programma keerde het systeem 85 procent van de tijd terug naar de oorspronkelijke staat. Toen echter een derde qubit werd geïntroduceerd, slaagde het experiment slechts 50 procent van de tijd. De onderzoekers zeiden dat de complexiteit van het systeem waarschijnlijk te veel is toegenomen met de derde qubit, waardoor het voor de kwantumcomputer moeilijker wordt om de controle over alle aspecten van het systeem te behouden. Zonder die controle kan de entropie niet onder controle worden gehouden en is de tijdomkering daarom niet perfect. Toch streven ze naar grotere systemen en grotere kwantumcomputers voor hun volgende stappen, vertelde Vinokur aan WordsSideKick.com.
"Het werk is een mooie bijdrage aan de basis van de natuurkunde", vertelde James Whitfield, een professor in de natuurkunde aan het Dartmouth College in New Hampshire, die niet bij het onderzoek betrokken was, tegen WordsSideKick.com. "Het herinnert ons eraan dat niet alle toepassingen van quantumcomputing toepassingsgericht moeten zijn om interessant te zijn."
'Dit is precies waarom we quantumcomputers bouwen', zei Bartlett. 'Dit is een demonstratie dat quantumcomputers ons in staat kunnen stellen dingen te simuleren die niet in de echte wereld zouden moeten gebeuren.'
