Wissenschaftler verwenden Quantencomputer, um die Zeit umzukehren | Brechen des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik

• Physiker haben erfolgreich einen Quantenzustand geschaffen, der sich in die entgegengesetzte Richtung des thermodynamischen Zeitpfeils bewegt.
• Sie haben diesen Zustand in 2- und 3-Qubit-Quantencomputern demonstriert.
• Es könnte verwendet werden, um Quantencomputer präziser zu machen und gleichzeitig Fehler und Rauschen zu reduzieren.

Wie entsteht die Irreversibilität aus den scheinbar zeitsymmetrischen Gesetzen der Physik? Wissenschaftler versuchen seit Jahren, die Antwort zu finden.

Im Rahmen der klassischen statistischen Mechanik ist das Problem mit dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik verknüpft, der besagt, dass die Entropie in einem geschlossenen System zunimmt, wenn Energie von einer Form in die andere übergeht oder sich Materie frei bewegt.

Im Jahr 2018 berichteten russische Forscher am Moskauer Institut für Physik und Technologie über die Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik durch ein Gerät, das als Maxwell-Dämon bekannt ist. Jetzt haben sie das Problem aus einem anderen Blickwinkel angegangen:Sie haben einen Quantenzustand entwickelt, der sich in die entgegengesetzte Richtung des thermodynamischen Zeitpfeils bewegt.

Das Team bewertete zunächst die Wahrscheinlichkeit, dass ein Elektron im Vakuum instinktiv in seine jüngste Vergangenheit zurückkehrt. Sie fanden heraus, dass die Beobachtung von 10 Milliarden neu lokalisierten Elektronen pro Sekunde während der gesamten Lebensdauer des Universums nur einmal eine umgekehrte Entwicklung des Elektronzustands zeigen würde.

Selbst in diesem Fall würde das Teilchen nicht länger als eine Nanosekunde in die Vergangenheit reisen. Aus diesem Grund beobachten wir die Dinge nicht in umgekehrter Zeit, weil dies eine erstaunliche Anzahl von Partikeln erfordern würde, die sich auf viel größeren Zeitskalen entfalten.

Referenz:arXiv:1712.10057 | MIPT

Das vierstufige Experiment

Die Forscher analysierten den Zustand eines Quantencomputers aus 2- und 3-Qubits (Quantenbits).

1. Bestellung: Zu Beginn befindet sich jedes Qubit im Grundzustand, was Null darstellt.
2. Abbau: Starten Sie ein „Evolutionsprogramm“, um die Zustände von Qubits in Einsen und Nullen oder beides gleichzeitig zu ändern.
3. Zeitumkehr: Ein einzigartiger Algorithmus, der in dieser Studie entwickelt wurde, verändert den Quantencomputer so, dass er sich dann in die umgekehrte Richtung bewegt, vom Chaos in die Ordnung.
4. Regeneration: Starten Sie das Evolutionsprogramm erneut, um die Zustände der Qubits in die Vergangenheit zurückzuspulen.

Mit freundlicher Genehmigung der Forscher 

Der 2-Qubit-Quantencomputer kehrte in 85% der Fälle in seinen Ausgangszustand zurück, während 3-Qubit mehr Fehler aufwies, was zu einer Erfolgsquote von 50% führte. Die Fehler traten aufgrund der Defekte des vorhandenen Quantencomputers auf. Wenn fortschrittlichere Quantencomputertechniken entwickelt werden, wird die Fehlerrate voraussichtlich deutlich sinken.

Wie geht es weiter?

Dieser Zeitumkehralgorithmus könnte verwendet werden, um präzisere Quantencomputer zu entwickeln. In naher Zukunft könnte es modifiziert werden, um für Quantencomputer geschriebene Software zu testen und Fehler und Rauschen zu reduzieren.

Lesen Sie:18 interessanteste Fakten über Quantencomputer

Die in dieser Studie entwickelten Schemata scrollten nacheinander durch die Zustandskomponenten, nutzten jedoch die Quantenparallelität nicht in ihrer vollen Stärke aus. Die nächste Frage ist, ob es überhaupt möglich ist, einen Quantenalgorithmus zu entwickeln, der Zeitumkehr effizienter durchführt als die Verwendung von O(N) elementaren Gattern.