Scoperto un modo per tornare indietro nel tempo

Con i qubit, grazie a un algoritmo, si può invertire la freccia del tempo, almeno virtualmente e a livello di calcolo

Invertire la freccia del tempo, ossia la sua direzione. Un sogno, ma non a livello di un computer quantistico, come hanno dimostrato ricercatori dell’Istituto di Fisica e Tecnologia di Mosca e dell’Argonne National Laboratory dell’Illinois. Un risultato considerato impossibile è stato ottenuto con una simulazione algoritmica. La ricerca è pubblicata su Scientific Reports del magazine Nature: ciò che a livello macroscopico resta vincolato dalla seconda legge della termodinamica è stato «ribaltato» a livello di qubit con l’inversione della freccia del tempo, un salto nel passato del precedente stato di una particella, almeno a livello di calcolo. Per la seconda legge della termodinamica, o legge di entropia, il grado di disordine in un sistema isolato aumenta con il tempo in modo spontaneamente irreversibile. In questo senso l’entropia può essere usata per indicare la direzione verso cui si muove il tempo e la sua irreversibilità. I ricercatori di Mosca e Argonne, in un sistema artificiale, hanno fatto evolvere in direzione contraria quella della freccia del tempo termodinamica, seppure il tempo possa esser misura diversa dello stato.

Il gruppo di ricerca ha predisposto una sperimentazione in quattro passi, in cui ogni qubitsuperconduttore – gli elementi base dell’informazione quantistica – veniva prima inizializzato a uno stato zero, corrispondente alla configurazione ordinata di partenza; ordine poi degradato con il lancio di un programma che rendeva lo stato del qubit un insieme sempre più complesso e mutevole di «uno» e di «zero». A questo punto, un apposito programma modificava lo stato del computer quantistico in modo da evolvere all’indietro dallo stato più caotico di nuovo verso quello ordinato. Infine, un nuovo passaggio del programma evolutivo poteva produrre la rigenerazione dello stato iniziale. Con un algoritmo, a livello virtuale è come se l’acqua fosse tornata nel bicchiere, o la lava di un’eruzione regredita nel cratere. Con la simulazione del computer quantistico, si apre la possibilità (almeno teorica) che si possa tornare indietro nel tempo. Improbabile così tanto che vincere la lotteria, a confronto, è una certezza. Ma i ricercatori hanno scoperto che il computer quantistico a due qubit è effettivamente ritornato allo stato iniziale nell’85% dei casi, mentre quando sono stati coinvolti tre qubit si sono verificati molti più errori. L’algoritmo di inversione temporale sviluppato dagli autori del nuovo studio potrebbe rivelarsi utile per migliorare il calcolo quantistico.

Dal punto di vista teorico, gli autori del nuovo studio hanno inizialmente considerato un ipotetico e solitario elettrone fluttuante nel vuoto dello spazio interstellare. Le leggi della meccanica quantistica impediscono di conoscere la sua posizione con assoluta precisione, ma si può comunque definire una piccola zona dove l’elettrone è localizzato. Tale contorno, secondo l’equazione di Schrödinger che definisce l’evoluzione di stato dell’elettrone, tenderà ad ampliarsi, incrementando l’incertezza sulla posizione dell’elettrone: un comportamento, secondo i ricercatori russi, del tutto analogo all’aumento del disordine (entropia) in un sistema macroscopico come previsto dal secondo principio della termodinamica. Tuttavia, l’equazione di Schrödinger è reversibile, non facendo distinzione tra passato e futuro. Quindi, dal punto di vista matematico e sotto determinate condizioni, l’equazione potrebbe descrivere un elettrone sparigliato che torna nella zona di localizzazione ristretta iniziale: un po’ come vedere le palle di un biliardo ritornare nell’allineamento triangolare iniziale dopo essere state sparpagliate da una bocciata.

Un’ipotesi assai improbabile, ma quanto? Lo studio di Scientific Reports lo ha calcolato per l’elettrone immaginario che si sposta nel tempo, immerso nel vuoto del cosmo profondo. La probabilità che la particella torni nella posizione iniziale (cioè che il triangolo delle palle di biliardo) è molto bassa. Potrebbe avvenire – hanno calcolato i ricercatori – una volta sola nell’intera storia dell’universo. I ricercatori hanno calcolato che si dovrebbe impiegate un periodo di tempo corrispondente all’intera vita dell’universo, circa 13.7 miliardi di anni, osservando 10 miliardi di elettroni appena localizzati ogni secondo, per avere la probabilità di trovare una singola evoluzione inversa dello stato della particella. Per di più, l’elettrone viaggerebbe nel passato (cioè ritornerebbe alla condizione precedente) per non più di un decimiliardesimo di secondo. Altissimamente improbabile, ma non impossibile.

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