Jak naukowcy „odwrócili” czas w laboratorium

Zaprojektowane „lustra czasu” dla fal elektromagnetycznych

Naukowcy z CUNY ASRC poinformowali o eksperymentalnej demonstracji zjawiska, które fizycy nazywają odbiciem czasowym lub „lustrem czasu” dla fal elektromagnetycznych. W życiu codziennym lustro odwraca współrzędne przestrzenne: impuls świetlny uderza w lustro, a czoło impulsu odbija się jako pierwsze. Lustro czasu robi coś odmiennego i sprzecznego z intuicją – odwraca kierunek czasowy części fali, tak że koniec przebiegu fali jest wysyłany wstecz w czasie względem reszty.

Takie zachowanie wymaga stworzenia nagłej, jednorodnej zmiany w ośrodku przenoszącym falę w całym polu – granicy czasowej. W praktyce wytworzenie tak jednorodnej, niezwykle szybkiej zmiany w rozległej objętości jest kosztowne energetycznie i trudne technicznie. Zespół z CUNY uniknął próby całkowitej zmiany materiału macierzystego. Zamiast tego zbudowali pasek metamateriału: metalową linię transmisyjną wyposażoną w szybkie przełączniki elektroniczne i kondensatory rezerwowe. Gdy przełączniki zostają uruchomione jednocześnie, efektywna impedancja paska podwaja się w ułamku mikrosekundy, tworząc gwałtowny interfejs czasowy, który generuje czasowo odbitą kopię przychodzącego szerokopasmowego impulsu elektromagnetycznego.

Ponieważ odbity komponent pochodzi z końca przebiegu fali, a nie z jej czoła, czasowo odbity impuls optyczny wygląda i brzmi jak odwrócone nagranie – pomyślmy o taśmie odtwarzanej od tyłu. To odwrócenie przesuwa również zawartość częstotliwościową; w swoich eksperymentach zespół zaobserwował oczekiwane zmiany w składzie widmowym i czasie. Demonstracja – opublikowana w recenzowanym czasopiśmie fizycznym i omówiona w ostatnich doniesieniach prasowych – zmienia teoretyczne przewidywania sprzed dziesięcioleci w skonstruowaną rzeczywistość w skali laboratoryjnej.

Kwantowe „przewijarki”: odwracanie historii cząstki

Niezależnie od tego, zespoły z Austrii i Uniwersytetu Wiedeńskiego wykazały, że w przypadku systemów kwantowych możliwe jest wdrożenie uniwersalnego „przewijania”, które przywraca kubit do wcześniejszego stanu bez znajomości nieznanych operacji, które na niego oddziaływały. Jest to inny sens „odwracania czasu”: nie dochodzi do globalnej inwersji czasowej środowiska, a jedynie do kontrolowanej manipulacji stanem kwantowym małego układu, tak aby powrócił on do wcześniejszej konfiguracji.

Co istotne, eksperyment z kwantowym przewijaniem nie narusza zasad termodynamiki ani nie zapewnia sposobu na wysyłanie makroskopowych obiektów w przeszłość. Działa on w przypadku starannie przygotowanych mikroskopijnych układów kwantowych, a jego siła tkwi w kontroli informacji kwantowej: technika ta mogłaby stać się narzędziem w zestawie do zarządzania błędami w procesorach kwantowych. Jeśli kubit w komputerze kwantowym zostanie uszkodzony przez nieznany proces, protokół przewijania mógłby, teoretycznie, przywrócić go do użytecznego wcześniejszego stanu bez konieczności przeprowadzania niszczących pomiarów.

Dlaczego nagłówki brzmią jak podróże w czasie — i dlaczego jest to mylące

W obu eksperymentach słusznie użyto słowa „odwrócenie” i oba wywołały efekty naśladujące niewielki element tego, co rozumiemy jako ewolucję wsteczną w czasie. Działają one jednak w oparciu o różne zasady i dziedziny. Lustro czasu CUNY to efekt klasycznej fali stworzony przez szybką zmianę parametrów materiałowych; austriackie przewijanie kwantowe to manipulacja informacją kwantową wykorzystująca superpozycję i interferencję. Żaden z nich nie tworzy pętli przyczynowej, która pozwoliłaby obiektom makroskopowym lub świadomym obserwatorom na podróż do przeszłości.

Skalowanie pozostaje główną barierą. Metamateriałowe lustro czasu wymaga przestrzennie jednorodnego, niezwykle szybkiego przełącznika w całym polu fali – staje się to coraz droższe w miarę skracania długości fali lub powiększania obszaru. Protokoły kwantowego przewijania sprawdzają się w przypadku pojedynczych kubitów lub małych układów fotonicznych w starannie wyizolowanych warunkach laboratoryjnych; dekoherencja, sprzężenie z otoczeniem i eksplozja stopni swobody sprawiają, że zastosowanie tej samej sztuczki w dużych, otwartych termicznie układach jest praktycznie niemożliwe przy obecnej wiedzy i sprzęcie.

Praktyczne korzyści: komunikacja i procesory kwantowe

Żaden z tych wyników nie jest jedynie naukowym spektaklem. Odbicia czasowe fal elektromagnetycznych otwierają nowe możliwości kontroli fal. Inżynierowie potrafiący tworzyć częściowe odbicia czasowe mogliby projektować nowatorskie elementy przetwarzania sygnałów: sposoby czyszczenia, kompresowania lub przekierowywania przebiegów fal, które zasadniczo różnią się od luster przestrzennych czy konwencjonalnych filtrów. Autorzy z CUNY i komentatorzy podkreślili potencjalne długofalowe zastosowania w komunikacji bezprzewodowej, radarach i energooszczędnych architekturach obliczeniowych opartych na falach, gdzie precyzyjne sterowanie przepływem widmowym ma kluczowe znaczenie.

Po stronie kwantowej przycisk przewijania dla kubitów rozwiązuje konkretny problem inżynieryjny – błędy w delikatnych procesorach kwantowych. Korekcja błędów jest już kluczowym elementem map drogowych komputerów kwantowych, a solidna, charakteryzująca się niskim narzutem metoda odwracania nieznanych zakłóceń zmniejszyłaby potrzebę wielokrotnej niszczącej diagnostyki i dużej redundancji. Naukowcy przewidują integrację prymitywów przewijania ze stosami sterowania kwantowego lub adaptację tego podejścia do uwięzionych jonów, zimnych atomów lub obwodów nadprzewodzących w miarę dojrzewania sprzętu.

Co dalej w laboratorium

Należy oczekiwać, że obie dziedziny będą metodycznie przeć do przodu. W przypadku metamateriałów inżynierowie będą badać wydajniejsze konstrukcje przełączników, gęstszą integrację oraz rozszerzanie efektu na szersze pasma i wyższe częstotliwości. W przypadku przewijania kwantowego zespoły będą testować protokoły na różnych fizycznych kubitach, zwiększać odporność na straty i szumy oraz badać, jak kroki przewijania łączą się z konwencjonalnymi kodami korekcji błędów.

Co ważne dla naukowców i opinii publicznej, osiągnięcia te ilustrują, w jaki sposób język „odwracania czasu” może być precyzyjny i pozbawiony mistycyzmu. Eksperymenty te są potężnymi pokazami kontroli – nowymi pokrętłami w układach elektromagnetycznych i kwantowych – a nie lukami w „księgowości” wszechświata. Poszerzają one zestaw technik, których badacze mogą używać do ujarzmiania fal i kubitów, i prawdopodobnie staną się podstawą praktycznych postępów, nawet jeśli perspektywa makroskopowych podróży w czasie pozostaje mocno w sferze science fiction.

Źródła

• Nature Physics (artykuł i materiały pokrewne dotyczące odbić czasowych / eksperymentu z metamateriałem CUNY ASRC)
• Optica (artykuł naukowy dotyczący uniwersalnego protokołu kwantowego przewijania)
• CUNY Advanced Science Research Center (zespół badawczy i materiały prasowe)
• Austriacka Akademia Nauk / Uniwersytet Wiedeński (eksperymenty z przełącznikami kwantowymi i materiały prasowe)