Bilim İnsanları Laboratuvar Ortamında Zamanı Nasıl 'Tersine Çevirdi'

Elektromanyetik dalgalar için tasarlanmış "zaman aynaları"

CUNY ASRC'deki araştırmacılar, fizikçilerin elektromanyetik dalgalar için "zamansal yansıma" veya "zaman aynası" olarak adlandırdığı olgunun deneysel bir gösterimini raporladılar. Günlük hayatta bir ayna mekansal koordinatları tersine çevirir: bir ışık darbesi aynaya çarpar ve darbenin ön kısmı ilk olarak geri yansır. Bir zaman aynası ise farklı ve sezgilere aykırı bir şey yapar; bir dalga formunun bir kısmının zaman yönünü tersine çevirir, böylece dalga formunun sonu, geri kalanına kıyasla zamanda geriye doğru gönderilir.

Bu davranış, dalgayı taşıyan ortamda tüm alan boyunca ani ve tekdüze bir değişiklik —bir zamansal sınır— oluşturulmasını gerektirir. Pratikte, geniş bir hacim üzerinde bu kadar tekdüze ve son derece hızlı bir değişiklik üretmek enerji açısından maliyetli ve teknik olarak zordur. CUNY ekibi, ana malzemeyi tamamen değiştirmeye çalışmaktan kaçındı. Bunun yerine, hızlı elektronik anahtarlar ve rezervuar kapasitörleriyle donatılmış metal bir iletim hattı olan bir metamalzeme şeridi inşa ettiler. Anahtarlar eşzamanlı olarak tetiklendiğinde, şeridin etkin empedansı bir mikrosaniyenin çok küçük bir kısmında iki katına çıkarak, gelen geniş bantlı bir elektromanyetik darbenin zamanla yansıtılmış bir kopyasını üreten ani zamansal arayüzü oluşturur.

Yansıtılan bileşen, dalga formunun önünden ziyade sonundan kaynaklandığı için, zamanla yansıtılmış bir optik darbe, geriye doğru oynatılan bir kayıt gibi görünür ve duyulur — tersinden çalınan bir bandı düşünün. Bu tersine çevirme aynı zamanda frekans içeriğini de kaydırır; ekip deneylerinde spektral yapıda ve zamanlamada beklenen değişiklikleri gözlemledi. Hakemli bir fizik dergisinde yayınlanan ve yakın zamanda basında geniş yer bulan bu gösterim, onlarca yıllık teorik bir tahmini laboratuvar ölçeğinde mühendislik ürünü bir gerçeğe dönüştürüyor.

Kuantum geri sarıcılar: bir parçacığın geçmişini tersine çevirmek

Buna paralel olarak, Avusturya ve Viyana Üniversitesi liderliğindeki ekipler, kuantum sistemleri için, bir kübiti üzerine etki eden bilinmeyen işlemleri bilmeden daha önceki bir duruma döndüren evrensel bir "geri sarma" (rewind) işleminin uygulanabileceğini gösterdiler. Bu, "zamanı tersine çevirmek" ifadesinin farklı bir anlamıdır: burada bir ortamın küresel zamansal tersinmesi söz konusu değildir, sadece küçük bir sistemin kuantum durumunun, önceki bir konfigürasyona dönmesi için kontrollü bir şekilde manipüle edilmesi söz konusudur.

Kritik olarak, kuantum geri sarma deneyi termodinamiği ihlal etmez veya makroskobik nesneleri geçmişe göndermenin bir yolunu sunmaz. Özenle hazırlanmış mikroskobik kuantum sistemleri için çalışır ve gücü kuantum bilgisi kontrolünde yatar: teknik, kuantum işlemciler için hata yönetimi araç kutusunda bir araç haline gelebilir. Bir kuantum bilgisayarındaki bir kübit bilinmeyen bir süreçle bozulursa, bir geri sarma protokolü prensipte onu yıkıcı ölçümler yapmadan kullanılabilir bir önceki duruma döndürebilir.

Manşetler neden zaman yolculuğu gibi tınlıyor — ve bu neden yanıltıcı

Her iki deney de haklı olarak "tersine çevirme" kelimesini kullandı ve her ikisi de zamanda geriye doğru evrim olarak düşündüğümüz şeyin küçük bir unsurunu taklit eden etkiler üretti. Ancak bunlar farklı ilkeler ve alanlarda işlemektedir. CUNY zaman aynası, malzeme parametrelerindeki hızlı bir değişimle oluşturulan klasik bir dalga etkisidir; Avusturya kuantum geri sarması ise süperpozisyon ve etkileşimden yararlanan bir kuantum bilgisi manipülasyonudur. Hiçbiri, makroskobik nesnelerin veya bilinçli gözlemcilerin geçmişe seyahat etmesine izin verecek bir nedensel döngü oluşturmaz.

Ölçeklendirme, temel engel olmaya devam ediyor. Metamalzeme zaman aynası, dalganın tüm alanı boyunca mekansal olarak tekdüze ve son derece hızlı bir anahtara ihtiyaç duyar; bu da dalga boyu kısaldıkça veya bölge büyüdükçe giderek daha pahalı hale gelir. Kuantum geri sarma protokolleri, özenle izole edilmiş laboratuvar koşulları altında tekli kübitler veya küçük fotonik sistemler için başarılı olmaktadır; dekoherans, çevresel eşleşme ve serbestlik derecelerinin patlaması, aynı hileyi mevcut bilgi ve donanımla büyük, termal olarak açık sistemlere uygulamayı fiilen imkansız kılmaktadır.

Pratik kazanımlar: iletişim ve kuantum işlemciler

Her iki sonuç da sadece bilimsel bir gösteriden ibaret değildir. Elektromanyetik dalgalar için zaman yansımaları, dalga kontrolünde yeni imkanlar sunuyor. Kısmi zamansal yansımalar yapabilen mühendisler, mekansal aynalardan veya geleneksel filtrelerden temelde farklı olan, dalga formlarını temizleme, sıkıştırma veya yeniden yönlendirme yolları gibi yeni sinyal işleme bileşenleri tasarlayabilirler. CUNY yazarları ve yorumcuları; kablosuz iletişim, radar ve spektral akışın hassas bir şekilde kontrol edilmesinin önemli olduğu düşük enerjili dalga tabanlı hesaplama mimarilerindeki potansiyel uzun vadeli uygulamaları vurguladılar.

Kuantum tarafında ise kübitler için bir geri sarma düğmesi, somut bir mühendislik problemine —hassas kuantum işlemcilerindeki hatalara— çözüm sunuyor. Hata düzeltme zaten kuantum hesaplama yol haritalarının merkezinde yer alıyor ve bilinmeyen bozulmaları tersine çevirmek için sağlam, düşük maliyetli bir yöntem, tekrarlanan yıkıcı teşhislere ve ağır yedeklilik ihtiyacına olan gereksinimi azaltacaktır. Araştırmacılar, donanım olgunlaştıkça geri sarma birimlerini kuantum kontrol yığınlarına entegre etmeyi veya bu yaklaşımı hapsolmuş iyonlara, soğuk atomlara veya süper iletken devrelere uyarlamayı öngörüyorlar.

Laboratuvarda sırada ne var

Her iki alanın da metodik olarak ilerlemesi bekleniyor. Metamalzemeler için mühendisler daha verimli anahtar tasarımlarını, daha yoğun entegrasyonu ve bu etkiyi daha geniş bant genişliklerine ve daha yüksek frekanslara yaymayı araştıracaklar. Kuantum geri sarmalar için ekipler, protokolleri farklı fiziksel kübitler üzerinde test edecek, kayıplara ve gürültüye karşı dayanıklılığı artıracak ve geri sarma adımlarının geleneksel hata düzeltme kodlarıyla nasıl birleştiğini inceleyecekler.

Bilim insanları ve halk için önemli olan bu gelişmeler, "zamanı tersine çevirme" dilinin nasıl kesin ve mistik olmayan bir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. Bu deneyler, evrenin muhasebesindeki boşluklar değil, elektromanyetik ve kuantum sistemleri üzerindeki yeni kontrol mekanizmalarının güçlü gösterimleridir. Araştırmacıların dalgaları ve kübitleri evcilleştirmek için kullanabilecekleri teknikler listesini genişletiyorlar ve makroskobik zaman yolculuğu olasılığı sağlam bir şekilde bilim kurgu olarak kalsa bile, muhtemelen pratik ilerlemelere tohum ekeceklerdir.

Kaynaklar

• Nature Physics (zamansal yansımalar üzerine makale ve ilgili materyaller / CUNY ASRC metamalzeme deneyi)
• Optica (evrensel kuantum geri sarma protokolü üzerine araştırma makalesi)
• CUNY Gelişmiş Bilim Araştırma Merkezi (araştırma ekibi ve basın materyalleri)
• Avusturya Bilimler Akademisi / Viyana Üniversitesi (kuantum anahtarı deneyleri ve basın materyalleri)