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Invertire la freccia del tempo? Con i qubit si può

Posted on 19 Mar, 2019 | 0 comments


Tratto da INAF

Una nuova ricerca a guida russa ha dimostrato sperimentalmente su un computer quantistico una particolare dinamica di “inversione del tempo” che riconduce il sistema allo stato che aveva una frazione di secondo nel passato. Lo studio, pubblicato su Scientific Reports, ha anche calcolato la probabilità che un elettrone nello spazio vuoto interstellare compia spontaneamente questo effimero salto all’indietro. Con il commento di Mariateresa Crosta dell’Inaf

Illustrazione dell’inversione del tempo: la sabbia torna nella parte superiore della clessidra. Crediti: @tsarcyanide/Mipt Press Office

Se il vostro sogno segreto è di violare il secondo principio della termodinamica, vagheggiando la macchina dal moto perpetuo o, più prosaicamente, sperando che la vostra stanza si riordini da sola, siete in buona compagnia.

Esistono, infatti, tutta una serie di ricerche che cercano di verificare se ciò che a livello macroscopico probabilmente non vedremo mai accadere possa essere invece sperimentato a livello atomico, laddove regnano le leggi contro-intuitive della fisica quantistica.

Una ricerca guidata da scienziati dell’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca riguardo a un sistema artificiale che viene fatto evolvere in direzione contraria a quella della freccia del tempo termodinamica è stata ora pubblicata su Scientific Reports. Un viaggio avanti e indietro nel tempo dunque? Non esattamente. Vediamo perché.

Dal punto di vista teorico, gli autori del nuovo studio hanno 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.

Il cuore del computer quantistico Ibm Q. Crediti: Ibm

Tale intorno, secondo l’equazione di Schrödinger che definisce l’evoluzione di stato dell’elettrone, tenderà velocemente ad ampliarsi, incrementando l’incertezza sulla posizione dell’elettrone. Un comportamento, secondo i ricercatori, del tutto analogo all’aumento del disordine (entropia) in un sistema macroscopico, 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 sparpagliato (smeared) che ritorna altrettanto velocemente a confinarsi nella zona di localizzazione ristretta iniziale. Un po’ come vedere le palle di un biliardo ritornare nel perfetto allineamento triangolare iniziale dopo essere state sparpagliate da una bocciata.

Anche se questo fenomeno non è mai stato osservato in natura, secondo gli autori del nuovo studio potrebbe teoricamente verificarsi a causa di una fluttuazione casuale nella radiazione cosmica di fondo che permea l’universo. Un evento, in ogni caso, molto più che raro.

Una mappa della radiazione di fondo cosmico a microonde, ottenuta nel 2013 dal satellite Planck dell’Agenzia spaziale europea. Crediti: Esa/Planck Collaboration

I ricercatori hanno infatti calcolato che si dovrebbe spendere 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.

Molto più promettente, se non altro dal punto di vista applicativo, sembra essere la ricerca sull’inversione della freccia del tempo che gli autori del nuovo studio hanno condotto sul computer quantistico Ibm Q, dove, invece di un elettrone, hanno osservato lo stato di due – e poi di tre – qubit superconduttori, gli elementi base dell’informazione quantistica.

Il gruppo di ricerca ha predisposto un esperimento in quattro passi, in cui ogni qubit veniva prima inizializzato a uno stato zero, corrispondente alla configurazione ordinata iniziale; ordine poi degradato con il lancio di un programma evolutivo 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.

Le quattro fasi dell’effettivo esperimento su un computer quantistico rispecchiano le fasi della ipotetica osservazione di un elettrone libero nello spazio, in analogia con il movimento delle palle da biliardo. Ciascuno dei tre sistemi evolve inizialmente dall’ordine verso il caos, ma poi un disturbo esterno perfettamente temporizzato inverte questo processo. Crediti: @tsarcyanide/Mipt Press Office

I ricercatori hanno scoperto che il computer quantistico a due qubit è effettivamente ritornato allo stato iniziale nell’85 per cento dei casi, mentre quando sono stati coinvolti tre qubit si sono verificati molti più errori, con un tasso di successo all’incirca del 50 per cento. Secondo gli autori, questi errori sono dovuti a imperfezioni nella realizzazione del computer quantistico stesso, destinati a diminuire mano a mano che avanza la tecnologia costruttiva.

In definitiva, piuttosto che per viaggiare nel tempo, l’algoritmo di inversione temporale sviluppato dagli autori del nuovo studio potrebbe rivelarsi utile per migliorare il calcolo quantistico. «Il nostro algoritmo potrebbe essere aggiornato e usato per testare i programmi scritti per i computer quantistici ed eliminare rumore ed errori», conferma in proposito Andrey Lebedev dell’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca, tra gli autori dello studio.

Mariateresa Crosta

«Premetto che non sono esperta di quantum computing, ma non chiamerei “esperimento” (sulla possibile violazione del secondo principio della termodinamica) una simulazione al computer di algoritmi quantistici», commenta a Media Inaf Mariateresa Crosta (non coinvolta nella ricerca), che all’Osservatorio astronomico Inaf di Torino si occupa, tra le altre cose, di navigazione spazio-temporale. «Farei anche attenzione a distinguere i concetti di tempo invertito e stato invertito. Il primo implica tutta una serie di considerazioni sulla definizione di “tempo” come variabile nelle equazioni della fisica, mentre il secondo  riguarda appunto come evolve lo stato di un sistema macroscopico/microscopico e sulla sua possibile reversibilità (quindi indica, semmai, una dinamica dell’evoluzione). L’idea alla base del lavoro – conclude la ricercatrice– mi rievoca il principio di indeterminazione di Heisenberg per quanto concerne l’energia e il tempo: in base ad esso, in un sistema isolato una fluttuazione può essere vista come un’iniezione di energia presa in prestito per un certo intervallo di tempo, che poi il sistema restituisce».

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