یکشنبه ۱ اردیبهشت ۱۳۹۸ Sunday 21st of April 2019
ads
ads
ads
  1 ماه قبل     زومیت

پژوهشگران اخیرا با استفاده از کامپیوتر کوانتومی توانستند قانون دوم ترمودینامیک را نقض کنند و زمان را به‌اندازه‌ی کسری از ثانیه به‌عقب برگردانند.


پژوهشگران اخیرا با استفاده از کامپیوتر کوانتومی توانستند قانون دوم ترمودینامیک را نقض کنند و زمان را به اندازه ی کسری از ثانیه به عقب برگردانند.

 پژوهشگران مؤسسه ی فیزیک و فناوری مسکو با همکاری پژوهشگرانی از ایالات متحده ی آمریکا و سوئیس موفق شدند وضعیت  کامپیوتر کوانتومی را به اندازه ی کسری از ثانیه به عقب برگردانند. براساس محاسبات جدید آن ها، یک الکترون در فضای بین ستاره ای می تواند به صورت خودکار به گذشته بازگردد. این بررسی دیروز، ۱۳ مارس، در مجله ی Scientific Reports منتشر شد. گوردی لسویک، پژوهشگر ارشد این بررسی و سرپرست آزمایشگاه فناوری اطلاعات و فیزیک کوانتومی در MIPT، دراین باره می گوید:

این مقاله یکی از مجموعه مقاله های مربوط به احتمال نقض قانون دوم ترمودینامیک است. این قانون به جهت یک طرفه ی زمان اشاره می کند: از گذشته به آینده. ما کار خود را با توصیف ماشین حرکت دائمی از نوع دوم شروع کردیم؛ ماشینی فرضی که پس از شروع فعالیت برای همیشه به حرکت خود ادامه می دهد. درعمل، وجود چنین ماشینی به دلیل قانون دوم ترمودینامیک ناممکن است.

سپس در دسامبر، براساس دستگاهی به نام دیو ماکسول مقاله ای درباره ی نقض قانون دوم ترمودینامیک منتشر کردیم؛ اما این مقاله ی جدید از زاویه ی دیگری به ماجرا نگاه می کند. ما وضعیتی را به وجود آوردیم که درجهت خلاف زمان ترمودینامیکی توسعه می یابد. در ترمودینامیک، دیو ماکسول آزمایشی فرضی است که نشان می دهد چگونه می توان قانون دوم ترمودینامیک را به صورت فرضی نقض کرد.

اغلب قوانین فیزیکی هیچ تمایزی بین آینده و گذشته قائل نمی شوند. برای مثال، معادله ی برخورد و برگشت دو توپ بیلیارد در اندازه های مساوی را در نظر بگیرید. اگر از لحظه ی برخورد فیلم بگیرید و سپس، آن را به عقب برگردانید، همان معادله به دست می آید. علاوه براین، در ضبط فیلم هیچ تغییری دیده نمی شود. هر دو معادله امکان پذیر هستند؛ بنابراین، می توان نتیجه گرفت توپ های بیلیارد درک شهودی زمان را به رقابت می طلبند.

حالا فرض کنید از لحظه ی برخورد کیوبال (توپ سفید بیلیارد) به مثلث توپ ها فیلم گرفته شده است. تمام توپ ها در جهت های مختلف به حرکت درمی آیند. برای نقل سناریوِ واقعی از جهت معکوس باید با قوانین بازی آشنا بود؛ اما از دید معکوس، قانون دوم ترمودینامیک عجیب به نظر می رسد. یک سیستم ایزوله ایستا باقی می ماند یا در جهت بی نظمی رشد می کند، نه در جهت نظم.

اغلب قوانین فیزیکی مانع از تبدیل توپ های پراکنده ی بیلیارد به مثلث یا بازگشت چای به قوری یا فوران معکوس آتشفشان نمی شوند؛ اما این اتفاق ها در عمل رخ نداده اند؛ زیرا پیش نیاز آن ها وجود سیستم ایزوله و منظمی بدون هیچ گونه دخالت خارجی است که دقیقا برخلاف قانون دوم ترمودینامیک رخ می دهد. ماهیت این قانون دقیقا توصیف نشده است؛ اما پژوهشگران به دنبال بررسی اصول و مبانی اولیه ی آن هستند.

پژوهشگرهای MIPT این سؤال را مطرح کردند: آیا زمان می تواند حداقل برای یک ذره ی مستقل و به مدت کسری از ثانیه، به صورت خودکار به عقب بازگردد؟ آن ها برای پاسخ به این سؤال به جای برخورد توپ های بیلیارد، آزمایش خود را روی یک الکترون منفرد در فضای بین ستاره ای خالی انجام دادند. آندری لبدف، یکی از نویسندگان این مقاله، دراین زمینه می گوید:

فرض کنید الکترون در نقطه ای متمرکز شده است. این، یعنی درباره ی موقعیت آن در فضا مطمئن هستیم. قوانین فیزیک کوانتومی مانع از پی بردن به موقعیت دقیق و مطلق الکترون می شوند؛ اما می توانیم منطقه ی کوچکی را در نظر بگیریم که الکترون در آن قرار گرفته است.

به عقیده ی این فیزیک دان، وضعیت الکترون تحت تأثیر معادله ی شرودینگر تکامل پیدا می کند. معادله ی شرودینگر، معادله ای خطی است که تابع موج یا وضعیت سامانه ی مکانیکی کوانتومی را توصیف می کند. اگرچه این معادله هیچ تفاوتی بین گذشته و آینده قائل نمی شود، بخشی از فضا که حاوی الکترون است، به سرعت توسعه می یابد.

بدین ترتیب، سامانه به بی نظمی بیشتر گرایش پیدا می کند. نبود قطعیت در موقعیت الکترون هم افزایش پیدا می کند. براساس قانون دوم ترمودینامیک، این روند مشابه بی نظمی فزاینده در سامانه ای بزرگ (مثل میز بیلیارد) است. در این قانون، وضعیت کل آنتروپی سامانه ی ایزوله هرگز با گذشت زمان کاهش پیدا نمی کند. والری وینوکور، یکی از مؤلفان این مقاله از آزمایشگاه ملی آرگون ایالات متحده می گوید:

معادله ی شرودینگر برگشت پذیر است. از دیدگاه ریاضی، در تبدیلی مشخص به نام پیوستگی پیچیده، این معادله یک الکترون را توصیف می کند که در بازه ی زمانی یکسانی به همان بخش کوچک از فضا بازمی گردد.

 اگرچه این پدیده در طبیعت دیده نمی شود، ازنظر تئوری، براثر نوسان تصادفی در پس زمینه ی مایکروویوی کیهانی امکان پذیر است. پژوهشگران این تیم احتمال بازگشت خودبه خودی الکترون به عقب را به اندازه ی کسری از ثانیه محاسبه کردند. آن ها به این نتیجه رسیدند که حتی اگر به اندازه ی کل عمر جهان (۱۳.۷ میلیارد سال) ۱۰ میلیارد الکترون را در هر ثانیه بررسی کنند، تکامل معکوس وضعیت ذره، تنها یک مرتبه اتفاق خواهد افتاد و حتی پس ازآن، الکترون بیش از یک میلیاردیم ثانیه به گذشته بازنخواهد گشت.

درباره ی پدیده ها در مقیاس بزرگ تر، ازجمله توپ های بیلیارد و آتش فشان ها و موارد دیگر، قطعا بازه های زمانی و تعداد الکترون ها و ذرات دیگر بیشتر خواهد بود. به همین دلیل، در طبیعت نمی توان انتظار داشت افراد مسن، جوان شوند یا جوهر روی کاغذ دوباره به جوهردان بازگردد.

چهار مرحله ی آزمایش واقعی روی کامپیوتر کوانتومی که مراحل آزمایش فرضی ازجمله الکترون در فضا و شباهت تصویر با توپ های بیلیارد را نشان می دهد. هرکدام از سه سیستم از نظم به بی نظمی تکامل پیدا می کنند؛ اما در مرحله ی بعد، یک عامل تداخلی خارجی و زمان دار این فرایند را معکوس می کند

 در مرحله ی بعدی، پژوهشگران در آزمایشی چهارمرحله ای زمان را به عقب برگرداندند، با این تفاوت که این بار به جای یک الکترون، وضعیت کامپیوتر کوانتومی را بررسی کردند که از دو و سه عنصر بنیادی به نام کیوبیت های ابررسانا ساخته شده بودند.

مرحله ی اول. نظم: به هر کیوبیت در وضعیت ابتدایی مقدار صفر تخصیص می یابد. این ترکیب بندی منظم متناظر با قرارگرفتن یک الکترون در منطقه ای کوچک یا ردیفی منظم از توپ های بیلیارد قبل از برخورد است.

مرحله ی دوم. فروپاشی: نظم در این مرحله از بین می رود. الکترون در بخش بزرگی از فضا حرکت می کند. در مثال بیلیارد، توپ ها در جهت های مختلف به حرکت درمی آیند. در این وضعیت، به دلیل تغییر الگوی صفر و یک ها، کیوبیت پیچیده تر می شود. با اجرای برنامه ی تکاملی روی کامپیوتر کوانتومی می توان به این هدف رسید. فروپاشی مشابه به دلیل واکنش با محیط رخ می دهد. بااین حال، برنامه ی کنترل شده ی تکامل خودکار آخرین مرحله ی آزمایش را عملی می سازد.

مرحله ی سوم. وارونه سازی زمان:  برنامه ای ویژه وضعیت کامپیوتر کوانتومی را به گونه ای تغییر می دهد که از حالت بی نظمی به صورت معکوس وارد نظم شود. در نمونه ی الکترون، این عملیات به نوسان تصادفی مایکروویو بستگی دارد با این تفاوت که این بار این حرکت عمدی بوده است. در مثال بیلیارد، این عمل مانند انجام محاسبات اولیه برای ضربه زدن به توپ است.

 مرحله ی چهارم. بازتولید: برنامه ی تکاملی از مرحله ی دوم باردیگر اجرا شد. اگر ضربه با موفقیت اعمال شود، برنامه به بی نظمی منجر نخواهد شد؛ بلکه وضعیت کیوبیت ها را به گذشته برمی گرداند. بدین ترتیب الکترون به وضعیت اولیه بازمی گردد یا در مثال توپ بیلیارد، توپ ها دوباره مثلث را تشکیل می دهند.

پژوهشگران به این نتیجه رسیدند ۸۵ درصد از نمونه های کامپیوترهای کوانتومی با دو کیوبیت به وضعیت اولیه ی خود برمی گردند. وقتی سه کیوبیت وارد میدان شوند، احتمال خطا افزایش می یابد و احتمال موفقیت به ۵۰ درصد می رسد. به نقل از مؤلفان، این خطاها به دلیل نقص در کامپیوتر کوانتومی واقعی رخ می دهند. هرچه دستگاه های پیچیده تری طراحی شوند، نسبت خطا هم کاهش می یابد. جالب تر اینکه می توان از الگوریتم بازگشت زمان برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی دقیق تر استفاده کرد. لبدف می گوید:

این الگوریتم به روزرسانی شدنی است و می توان از آن برای آزمودن برنامه هایی استفاده کرد که مخصوص کامپیوترهای کوانتومی نوشته شده اند و بدین ترتیب خطا و نویز را از بین برد.

لطفا در نظر داشته باشید که زومیت در صورت مشاهده ی دیدگاه خلاف قوانین سایت، این حق را دارد که دیدگاه کاربر را بدون اطلاع قبلی پاک کند. همچنین در صورت تکرار در نقض قوانین سایت، به صلاح دید زومیت، حساب کاربری کاربر خاطی مسدود خواهد شد.

در صورت مشاهده ی تاپیک ها و پست های توهین آمیز یا خلاف قوانین از بحث کردن و پاسخ دادن به آن ها جدا خودداری کرده و صرفا موضوع را از طریق آیکون گزارش به اطلاع ما برسانید.

ادامه خبر :