Een nieuwe techniek voor quantumcomputing zou ons hele model van hoe tijd in het universum beweegt, kunnen openen.
Dit is wat lang leek waar te zijn: tijd werkt in één richting. De andere kant op? Niet zo veel.
Dat klopt in het leven. (Dinsdag rolt in woensdag 2018 in 2019, jeugd tot op hoge leeftijd.) En het is waar in een klassieke computer. Wat betekent dat? Het is veel gemakkelijker voor een beetje software dat op uw laptop draait om te voorspellen hoe een complex systeem in de toekomst zal bewegen en ontwikkelen dan om zijn verleden te herscheppen. Een eigenschap van het universum die theoretici 'causale asymmetrie' noemen, vereist dat er veel meer informatie - en veel complexere berekeningen - nodig is om in de ene richting door de tijd te bewegen dan in de andere. (Praktisch gesproken is vooruitgaan in de tijd gemakkelijker.)
Dit heeft reële gevolgen. Meteorologen kunnen redelijk goed voorspellen of het binnen vijf dagen zal regenen op basis van de huidige weerradargegevens. Maar dezelfde meteorologen vragen om uit te zoeken of het vijf dagen geleden heeft geregend met de radarbeelden van vandaag? Dat is een veel uitdagendere taak, die veel meer gegevens en veel grotere computers vereist.
Informatietheoretici vermoedden lange tijd dat causale asymmetrie een fundamenteel kenmerk van het universum zou kunnen zijn. Al in 1927 betoogde natuurkundige Arthur Eddington dat deze asymmetrie de reden is dat we alleen vooruit gaan in de tijd, en nooit achteruit. Als je het universum begrijpt als een gigantische computer die voortdurend zijn weg door de tijd berekent, is het altijd gemakkelijker - minder hulpbronnen - om dingen vooruit te laten stromen (oorzaak, dan effect) dan achteruit (effect, dan oorzaak). Dit idee wordt de 'pijl van de tijd' genoemd.
Maar een nieuw artikel, gepubliceerd op 18 juli in het tijdschrift Physical Review X, opent de deur naar de mogelijkheid dat die pijl een artefact is van berekening in klassieke stijl - iets dat ons alleen leek te zijn vanwege onze beperkte tools.
Een team van onderzoekers ontdekte dat causale asymmetrie onder bepaalde omstandigheden verdwijnt in kwantumcomputers, die op een heel andere manier rekenen - In tegenstelling tot klassieke computers waarin informatie wordt opgeslagen in een van de twee toestanden (1 of 0), met informatie over kwantumcomputers, wordt informatie opgeslagen in subatomaire deeltjes die enkele bizarre regels volgen en dus elk in meer dan één staat tegelijk kunnen zijn. En, nog aantrekkelijker, hun paper wijst de weg naar toekomstig onderzoek dat zou kunnen aantonen dat causale asymmetrie helemaal niet bestaat in het universum.
Hoe is dat?
Zeer overzichtelijke en zeer willekeurige systemen zijn gemakkelijk te voorspellen. (Denk aan een slinger - besteld - of een gaswolk die een kamer vult - ongeordend.) In dit artikel keken de onderzoekers naar fysieke systemen met een niveau van wanorde en willekeurigheid van goudlokje - niet te weinig en niet te veel. (Dus, zoiets als een ontwikkelend weersysteem.) Deze zijn erg moeilijk voor computers om te begrijpen, zei co-auteur Jayne Thompson, een complexiteitstheoreticus en natuurkundige die kwantuminformatie aan de National University of Singapore bestudeert.
Vervolgens probeerden ze het verleden en de toekomst van die systemen te achterhalen met behulp van theoretische kwantumcomputers (zonder fysieke computers). Niet alleen gebruikten deze modellen van kwantumcomputers minder geheugen dan de klassieke computermodellen, ze zei, ze waren in staat om in beide richtingen door de tijd te lopen zonder extra geheugen te gebruiken. Met andere woorden, de kwantummodellen hadden geen causale asymmetrie.
"Hoewel het klassiek onmogelijk is dat het proces in een van de richtingen gaat," vertelde Thompson aan WordsSideKick.com, "tonen onze resultaten aan dat 'kwantummechanisch' het proces in beide richtingen kan gaan met heel weinig geheugen."
En als dat waar is in een kwantumcomputer, dan is dat waar in het universum, zei ze.
Quantumfysica is de studie van het vreemde probabilistische gedrag van zeer kleine deeltjes - alle zeer kleine deeltjes in het universum. En als de kwantumfysica geldt voor alle stukjes waaruit het universum bestaat, geldt dat ook voor het universum zelf, ook al zijn sommige van zijn vreemdere effecten niet altijd duidelijk voor ons. Dus als een kwantumcomputer kan werken zonder causale asymmetrie, dan kan het universum dat ook.
Natuurlijk is het zien van een reeks bewijzen over hoe quantumcomputers op een dag zullen werken niet hetzelfde als het effect in de echte wereld zien. Maar we zijn nog ver verwijderd van kwantumcomputers die geavanceerd genoeg zijn om het soort modellen te draaien dat dit artikel beschrijft, zeiden ze.
Bovendien, zei Thompson, bewijst dit onderzoek niet dat er nergens in het universum een causale asymmetrie is. Zij en haar collega's lieten zien dat er in een handvol systemen geen asymmetrie is. Maar het is mogelijk, zei ze, dat er enkele zeer kale quantummodellen zijn waar een causale asymmetrie naar voren komt.
'Ik ben op dat punt agnostisch', zei ze.
Voor nu.
De volgende stap voor dit onderzoek, zei ze, is om die vraag te beantwoorden - om erachter te komen of causale asymmetrie in kwantummodellen bestaat.
Dit document bewijst niet dat tijd niet bestaat, of dat we er ooit doorheen kunnen glippen. Maar het lijkt te laten zien dat een van de belangrijkste bouwstenen van ons begrip van tijd, oorzaak en gevolg niet altijd werkt zoals wetenschappers lang hebben aangenomen - en misschien helemaal niet zo werkt. Wat dat betekent voor de vorm van tijd, en voor de rest van ons, is nog steeds een open vraag.
Het echte praktische voordeel van dit werk, zei ze, is dat kwantumcomputers op de weg in staat zouden kunnen zijn om eenvoudig simulaties van dingen (zoals het weer) in beide richtingen door de tijd te laten lopen, zonder ernstige moeilijkheden. Dat zou een grote verandering zijn ten opzichte van de huidige klassieke modelwereld.
