Sobre la base del innovador experimento de 'inversión del tiempo' del año pasado, dos investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú y del Laboratorio Nacional Argonne han publicado un nuevo estudio teórico en Física de las comunicaciones . Si bien su artículo anterior trataba sobre un estado cuántico predefinido, esta vez los físicos han ideado una forma de invertir en el tiempo la evolución de un objeto de forma arbitraria, estado desconocido.

Algún día, un esquema de inversión mejorado podría permitirnos confirmar el correcto funcionamiento de una computadora cuántica que es tan poderosa que de otra manera requeriría una computadora aún más grande que ella para verificarla. derrotando el propósito.

El caos reina con el tiempo

Existe una cierta forma natural en que el estado de un chip cuántico evoluciona si se deja en sus propios dispositivos:del orden al caos. Esto es cierto en otras cosas también:Con el tiempo, nuestros cuerpos envejecen, las estructuras artificiales se deterioran, y mientras un cubo de hielo que queda en la mesa se derrite invariablemente, otro cubo de hielo ciertamente no aparecerá en un vaso de la nada, aunque eso podría depender de lo que uno haya estado bebiendo.

A través de la experiencia cotidiana adquirimos un sentido del tiempo basado en la distinción entre los estados pasados ​​generalmente más ordenados y los estados futuros típicamente más caóticos de los sistemas cerrados, como un vaso de agua con un cubo de hielo, donde la fusión es un proceso unidireccional. Los físicos se refieren a esto como asimetría temporal, o la flecha del tiempo. Proviene de la tendencia al desorden, expresado formalmente por la segunda ley de la termodinámica.

"Uno de nuestros avances, "dice uno de los autores, Valerii Vinokur de Argonne, "es la comprensión, que ponemos en práctica, de que una computadora cuántica es una parte del mundo físico real, pero que permite un control sin precedentes sobre su evolución en el tiempo".

Libro de hechizos de algoritmos

Lo que muchos periodistas aclamaron como una "máquina del tiempo" el año pasado fue el experimento de los físicos que invirtió brevemente la flecha del tiempo para una computadora cuántica. Es decir, el experimento tuvo lugar en la computadora, inicialmente en un estado ordenado, evolucionando hacia un mayor caos durante un breve período de tiempo. Después, el equipo usó su algoritmo de inversión de tiempo para modificar el estado de la computadora de tal manera que comenzó a rastrear lo que había estado haciendo anteriormente, evolucionando efectivamente en reproducción inversa hasta que asumió el estado ordenado original.

El problema era que había que conocer el estado de la computadora en el momento en que se activaba el algoritmo de inversión del tiempo. porque no era universal. "Incluso eso se sintió como magia, pero el procedimiento reelaborado es un tipo de genio completamente diferente, si permites la analogía, "Comentó Vinokur." Di que querías restaurar el Partenón a su esplendor original. El viejo genio iría 'Bien, Yo puedo hacer eso, pero tienes que darme alguna información. Quiero un plano perfectamente detallado de las ruinas como están ahora. Verás, ese genio no tenía un hechizo universal para hacer retroceder el tiempo. En lugar de, tenía un gran libro de hechizos, que tendrían que hojear juntos para encontrar el correcto. Un tipo muy tedioso ".

Hablando practicamente, el problema de saber qué estado está invirtiendo es la necesidad de registrarlo. Esto no fue realmente un problema para la pequeña computadora formada por dos o tres bits cuánticos, que se utilizó en el estudio del año pasado. Pero escalar el experimento aumenta los requisitos de memoria realmente rápido:cada qubit adicional duplica la cantidad de memoria necesaria.

Para abordar esto, los investigadores idearon un algoritmo universal, así que ahora tienen una bestia de genio para ordenar que es lo suficientemente flexible como para adaptarse a cualquier escenario. No importa de qué manera particular se haya deteriorado un sistema cuántico, puede hacer su truco de magia y rebobinarlo a su pasado "ordenado". Cierto es que, pedirá toneladas y toneladas de mármol y lo quemará con los fuegos del infierno, pero nunca es sencillo con los genios. Quizás este sea un afreet.

Accesorios de escenario de mago

Aquí hay un experimento mental para guiarlo a través del proceso. Imagina que tomas un montón de moléculas de agua y las usas para hacer un copo de nieve de aspecto único en una caja perfectamente hermética. Solo tú conoces la forma del copo de nieve. Dejas la caja a temperatura ambiente durante algún tiempo, y esto arruina el copo de nieve que hay en él. Con el nuevo algoritmo de inversión del tiempo y algunas manipulaciones térmicas sofisticadas, los investigadores afirman que podrían restaurar su copo de nieve a su forma original. Aquí es cómo.

Como van los trucos de magia, los físicos comienzan por complicar un poco las cosas con accesorios escénicos:necesitarán una caja idéntica con el mismo número de moléculas de agua, recuerde las toneladas de mármol. El agua puede estar en estado líquido o gaseoso, eso no tiene importancia. Solo tienes que garantizar que las dos cajas contengan lo mismo en la misma cantidad. Ahora mantén un ojo en el juego de manos que sigue.

Una vez que esté disponible una caja doble, también conocida como sistema auxiliar, el procedimiento consta de cuatro pasos.

Paso 1: Termalización . Lleve la caja gemela a una temperatura muy alta poniéndola en contacto con un cuerpo muy caliente, llamado depósito de calor.

Paso 2: Separación . Desconecte el depósito de calor.

Paso 3: Manipulación . Ejecute una operación de intercambio cuántico no completa entre la caja gemela y la original.

Paso 4: Reiteración . Repita los pasos del 1 al 3 una cantidad terrible de veces.

Esa secuencia induce un estado inverso en el tiempo de la caja original con el copo de nieve arruinado, lo que significa que inmediatamente comenzará a retroceder su pasado reciente hasta que asuma el estado inicial, congelando de nuevo exactamente en la misma forma que pretendías. ¡Voila!

El papel en Física de las comunicaciones proporciona una fórmula de cuántas veces se debe repetir el ciclo anterior para revertir el estado de un sistema dado con respecto al tiempo. Es decir, para empujarlo precisamente de la manera correcta para asegurar la evolución hacia atrás desde el estado actual hacia estados anteriores en el pasado. En breve, el número es enorme, y crece rápidamente con la complejidad del sistema y con el tiempo que se supone que debe retroceder.

Proxeneta mi qubit

De acuerdo, el Partenón probablemente tendrá que esperar, pero el equipo es optimista sobre un posible experimento que invertiría brevemente en el tiempo una computadora simple compuesta por una pequeña cantidad de bits cuánticos. Con dos qubits, por ejemplo, se necesitarían al menos 16 repeticiones de ciclo, con tres es 64, etcétera.

Tal experimento es factible con la tecnología actual, pero el problema es que las máquinas disponibles públicamente, como la computadora cuántica de IBM utilizada en el estudio del año pasado, no admiten la termalización, que es el primer paso del ciclo. Ahora que lo pienso, esperar que las instalaciones compartidas tengan características especializadas de este tipo es como pedirle a su servicio local de uso compartido de automóviles un lowrider saltarín. Así que esta vez el experimento de reversión está esperando a un equipo dispuesto a 'prodigar' una computadora cuántica propia, ajustándolo a la medida con un gran depósito de calor defectuoso.

Si bien la mecánica cuántica como tal es notoriamente contradictoria, Hay un aspecto del nuevo algoritmo de inversión del tiempo que deja incluso a los físicos rascándose la cabeza. "En general, cuanto más caliente es un sistema, cuanto más desorganizado se vuelve. Entonces, si lo piensas, lo que estamos haciendo es utilizar una herramienta asociada con el caos absoluto, la reserva de calor, para generar orden, "Explicó Andrey Lebedev." Estamos exponiendo repetidamente el sistema auxiliar a una temperatura extremadamente alta con el objetivo final de observar el pasado frío y ordenado del sistema primario. Es una paradoja que todavía tenemos que entender ".

Cómo poner a prueba a alguien más inteligente que tú

Los algoritmos de inversión de tiempo universal podrían usarse en el futuro para verificar que una computadora cuántica funciona correctamente, y se ha logrado una ventaja cuántica. La cosa es, una vez que una computadora cuántica es mucho más poderosa que otras computadoras, ¿Cómo se confirma que no es propenso a errores sin un dispositivo comparable a prueba de errores?

Una vez que una máquina de 52 qubits ejecuta un algoritmo cuántico avanzado, generará un estado cuántico enormemente complejo. La forma convencional de asegurarse de que no se hayan cometido errores requeriría una descripción completa del estado final. Sin embargo, estaría más allá de los poderes de la humanidad.

Ahí es donde entran en juego los algoritmos de inversión de tiempo universal. Si puede ejecutar el cálculo al revés y no le importa el estado final, está 'rebobinando, 'entonces no hay necesidad de describirlo. Solo asegúrate de volver exactamente al punto de partida.

Entonces, cuando las computadoras cuánticas comienzan a realizar descubrimientos científicos, La inversión del tiempo será útil para confirmar que esas son conclusiones válidas sobre el mundo en lugar de una falla cuántica de proporciones épicas.