Các nhà khoa học đã thành công trong việc quay ngược thời gian bằng máy tính lượng tử

Giúp NTDVN sửa lỗi

Thời gian chỉ chuyển động theo một hướng: tiến về phía trước. Một cậu bé rồi sẽ trở thành một ông lão, nhưng một ông lão không thể quay trở lại thành một cậu bé. Một tách trà bị rơi vỡ và không thể quay trở lại nguyên vẹn như lúc ban đầu. Nhưng gần đây, các nhà nghiên cứu từ Mỹ và Nga đã thành công trong việc quay ngược thời gian một chút - đối với các hạt hạ nguyên tử.

"Mũi tên của thời gian" chỉ tính chất khắc nghiệt và bất biến của vũ trụ, về cơ bản là hệ quả của định luật thứ hai của nhiệt động lực học, định luật này chỉ ra rằng, các hệ thống sẽ luôn có xu hướng trở nên rối loạn hơn theo thời gian. Nhưng gần đây, các nhà nghiên cứu từ Mỹ và Nga đã bẻ cong mũi tên đó một chút - ít nhất là đối với các hạt hạ nguyên tử.

Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Scientific Reports, các nhà khoa học đã điều khiển mũi tên thời gian bằng cách sử dụng một máy tính lượng tử thô sơ được tạo thành từ nhiều bit lượng tử, hay còn được gọi là qubit (đơn vị tính của thông tin lượng tử), thực hiện các phép tính.

Ở quy mô hạ nguyên tử, các quy tắc khác thường của cơ học lượng tử luôn chiếm lĩnh, các nhà vật lý mô tả trạng thái của các hệ thống thông qua một cấu trúc toán học gọi là hàm sóng. Hàm sóng này là một biểu thức của tất cả các trạng thái khả dĩ mà hệ thống có thể ở trong - thậm chí, tất cả các vị trí khả dĩ của một hạt mà hệ thống có thể ở trong - và xác suất của hệ thống tại bất kỳ trạng thái nào, tại bất kỳ thời điểm nào. Nói chung, khi thời gian trôi qua, các hàm sóng lan rộng ra; vị trí khả dĩ của một hạt có thể xa hơn nếu quan sát trong vòng 1 giờ thay vì 5 phút.

Hoàn tác chức năng lan truyền của sóng cũng tương tự như chúng ta cố gắng gom nhặt hết số sữa đã bị đổ trở lại bình. Nhưng đó là chính xác những gì các nhà nghiên cứu đã đạt được trong thí nghiệm mới này.

Valerii Vinokur, trưởng nhóm nghiên cứu và là một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở Illinois, nói với Live Science: “Về cơ bản, điều này không thể tự xảy ra. Giống như, nếu bạn trao cho con khỉ một chiếc máy đánh chữ và nhiều thời gian, nó có thể viết tác phẩm Shakespeare". Nói cách khác, về mặt kỹ thuật thì điều này có thể xảy ra nhưng cũng có thể không xảy ra.

Bằng cách kiểm soát các thử nghiệm một cách tỉ mỉ, các nhà khoa học đã biến điều không thể thành có thể.

Giáo sư vật lý Stephen Bartlett tại Đại học Sydney, ông không tham gia vào nghiên cứu, nói với Live Science: “Bạn thực sự cần nhiều sự kiểm soát kỹ thuật tỉ mỉ để làm cho tất cả các mảnh vỡ của một tách trà gắn trở lại với nhau. Để làm được điều đó, bạn phải có rất nhiều quyền kiểm soát hệ thống ... và máy tính lượng tử là thứ cho phép chúng ta có một lượng lớn quyền kiểm soát đối với một hệ thống lượng tử mô phỏng".

Thí nghiệm này đủ nhỏ, đủ ngắn, đủ kiểm soát để vũ trụ không thu thêm hay mất đi năng lượng. (Ảnh minh họa: Raggio5/Pixbay)
Thí nghiệm này đủ nhỏ, đủ ngắn, đủ kiểm soát để vũ trụ không thu thêm hay mất đi năng lượng. (Ảnh minh họa: Raggio5/Pixbay)

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy tính lượng tử để mô phỏng một hạt đơn lẻ, hàm sóng của nó lan truyền theo thời gian giống như một làn sóng gợn trong ao. Sau đó, họ viết một thuật toán trong máy tính lượng tử đảo ngược tiến trình thời gian của mọi thành phần đơn lẻ của hàm sóng, về cơ bản kéo gợn sóng đó trở lại hạt tạo ra nó. Họ đã hoàn thành kỳ tích này mà không làm tăng entropy, không làm rối loạn những nơi khác trong vũ trụ, dường như bất chấp mũi tên của thời gian.

Điều này có nghĩa là các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cỗ máy thời gian? Họ có vi phạm định luật vật lý không? Câu trả lời là không cho cả hai câu hỏi.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học chỉ ra rằng trật tự của vũ trụ phải giảm dần theo thời gian nhưng nó vẫn có thể giữ nguyên trong những trường hợp rất đặc biệt. Và thí nghiệm này đủ nhỏ, đủ ngắn, đủ kiểm soát để vũ trụ không thu thêm hay mất đi năng lượng.

“Khi sóng đã được tạo ra và lan tỏa trong ao, sẽ rất rắc rối và phức tạp để sóng quay trở lại. Nhưng điều này có thể xảy ra trong thế giới lượng tử, trong một trường hợp rất đơn giản”. Nói cách khác, họ có thể có được sự kiểm soát bởi máy tính lượng tử để hoàn tác hiệu ứng của thời gian.

Sau khi chương trình hoạt động, hệ thống quay trở lại trạng thái ban đầu với 85% thời gian. Tuy nhiên, từ qubit thứ ba hoạt động, tỷ lệ quay trở lại trạng thái ban đầu chỉ đạt 50% thời gian. Theo các nhà nghiên cứu, sự phức tạp của hệ thống đã tăng quá nhiều kể từ qubit thứ ba, khiến máy tính lượng tử cứng hơn để duy trì quyền kiểm soát trên tất cả tình trạng. Nếu không có sự kiểm soát đó, entropy không được kiềm chế và quá trình đảo ngược thời gian không thể hoàn thành. Tuy nhiên, họ đang nhắm đến các hệ thống lớn hơn và các máy tính lượng tử lớn hơn cho các bước tiếp theo.

James Whitfield, giáo sư vật lý tại Trường Cao đẳng Dartmouth ở New Hampshire, ông cũng là người không tham gia vào nhóm nghiên cứu, chia sẻ với Live Science: "Công trình nghiên cứu là một đóng góp tốt đẹp cho nền móng của ngành vật lý. Nó nhắc nhở chúng ta rằng không phải tất cả các ứng dụng trong tính toán lượng tử đều hướng đến sự ứng dụng mới là đều thú vị.

Đây chính là lý do tại sao chúng tôi đang tiếp tục phát triển hệ thống máy tính lượng tử, minh chứng cho thấy máy tính lượng tử có thể cho phép chúng ta mô phỏng những thứ không nên xảy ra trong thế giới thực".

Theo Livescience

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Các nhà khoa học đã thành công trong việc quay ngược thời gian bằng máy tính lượng tử