Amikor a jövőből múlt lesz: Időutazás a kvantumvilág küszöbén

Az idő könyörtelenül halad előre. Ezt az alapigazságot nap mint nap tapasztaljuk: a kiömlött tejet nem lehet visszatölteni a pohárba, a tükö...

Az idő könyörtelenül halad előre. Ezt az alapigazságot nap mint nap tapasztaljuk: a kiömlött tejet nem lehet visszatölteni a pohárba, a tükördarabok nem állnak össze ép felületté, és a reggeli kávénk is csak hűlni tud az asztalon, melegedni nem.

A fizika nyelvén ezt a termodinamika második főtételeként ismerjük, amely kimondja, hogy egy zárt rendszer entrópiája, azaz rendezetlensége az idő múlásával csak növekedhet. Létezik azonban egy mikroszkopikus tartomány, ahol a fizika megszokott szabályai fellazulnak, és ahol kutatók legújabb eredményei szerint az idő nyila nemcsak megállítható, hanem meg is fordítható.

A Los Alamos Nemzeti Laboratórium fizikusa, Luis Pedro García-Pintos és csapata a Physical Review X folyóiratban tette közzé azt a megdöbbentő elméleti munkát, amely leírja, hogyan kényszeríthető egy kvantumrendszer arra, hogy az időben visszafelé fejlődjön. Bár a koncepció elsőre sci-finek tűnhet, a kutatás szilárd matematikai alapokon nyugszik, és olyan technológiai áttöréseket vetít előre, amelyek alapjaiban változtathatják meg a kvantumszámítógépek működését és az energiatárolás jövőjét. (1)

A fordított idő gondolata nem teljesen új a fizika történetében. Már a 19. században megjelent egy híres gondolatkísérlet, amelyet megalkotójáról, James Clerk Maxwellről neveztek el. Maxwell démona egy olyan képzeletbeli lény, amely egy két részre osztott gáztartály válaszfalánál állva szétválogatja a molekulákat. A gyorsan mozgókat az egyik, a lassúakat a másik oldalra tereli. Ezzel a démon eléri, hogy a tartály egyik fele magától felforrósodjon, a másik pedig lehűljön, ami látszólag ellentmond az entrópia növekedésének. Egy külső szemlélő számára ez olyan lenne, mintha a forró kakaó hőt szívna el a kezünkből, ahelyett, hogy melegítené azt.

Bár a való világban nincsenek apró démonok, a kvantumvilágban létezik egyfajta külső kontroll, amely hasonló szerepet tölthet be. A kvantummechanika különös szabályai szerint egy részecske – például egy elektron vagy atom – mérés előtt egyszerre több állapotban is létezhet. Ezt nevezzük szuperpozíciónak. Amint azonban megfigyeljük vagy megmérjük a rendszert, ez a különleges állapot összeomlik, és a részecske egyetlen, határozott értéket vesz fel.

García-Pintos és kollégái számítógépes szimulációkkal bizonyították, hogy ha pontosan ismerjük egy kvantumrendszer eredeti állapotát és a mérés utáni kimenetet, egy speciálisan megtervezett hatással – amelyet a fizikában Hamilton-operátornak neveznek – a folyamat visszafordítható. Ez a kontrollmechanizmus egyfajta technológiai "Maxwell-démonként" funkcionál: impulzusok és terek pontos sorozatával kényszeríti a virtuális rendszert, hogy térjen vissza a kiindulópontjához, vagy akár haladjon az események megszokott sorrendjével ellentétes irányba. Ezzel lényegében egy olyan miniatűr univerzumot szimulálnak, ahol az események a jövőből a múlt felé peregnek le.

A felfedezés jelentősége messze túlmutat az elméleti érdekességen. Az egyik legizgalmasabb alkalmazási terület a kvantum-dekoherencia elleni küzdelem lehet. Ez az a jelenség, amikor a kvantumrendszerek a környezettel való kölcsönhatás során elveszítik különleges tulajdonságaikat, és "hagyományos" fizikai objektumként kezdenek viselkedni. Jelenleg ez a legnagyobb akadálya a megbízható kvantumszámítógépek megépítésének, hiszen az információ elvész, mielőtt a műveletek befejeződnének. Ha azonban az idő nyila megfordíthatóvá válik, ez az információvesztés megállítható vagy akár vissza is fordítható, ami hatalmas előnyt jelentene a jövő számítástechnikájában.

Emellett a kutatók szerint a technológia egyfajta "kvantum-akkumulátorként" is funkcionálhatna. A mérés során a rendszerbe fektetett energiát a Hamilton-kontroll segítségével azonnal vissza lehetne nyerni és tárolni, hogy más folyamatokat tápláljanak vele. Ez egy szinte tökéletes hatásfokú ciklust hozhatna létre a legkisebb méretskálán.

Természetesen az út az elmélettől a gyakorlati megvalósításig még hosszú és akadályokkal teli. Kater Murch, a Berkeley Egyetem kísérleti fizikusa rámutatott, hogy a rendszer visszafordításához tökéletes mérésekre lenne szükség. Jelenleg azonban a kvantumállapotok megfigyelése során – például lézerfény vagy mikrohullámok használatával – az információ jelentős része elvész. A mérési hatékonyság ma még csak 50 százalék körüli, ami azt jelenti, hogy a kép, amit a rendszerről kapunk, homályos. Ha nem tudjuk pontosan, mi történt a rendszerrel, nem tudjuk azt sem, hogyan "tekerjük vissza a filmet" a megfelelő kockához.

Annak ellenére, hogy a tökéletes "időgép" megépítése a laboratóriumban még várat magára, García-Pintos eredményei alapvető szemléletváltást tükröznek. Bebizonyították, hogy az irreverzibilitás, vagyis a folyamatok visszafordíthatatlansága nem abszolút törvény a kvantumvilágban, hanem csupán a kontroll hiányának következménye.

Ahogy mérési eszközeink és irányítási módszereink finomodnak, úgy válhatunk egyre inkább képessé arra, hogy uraljuk az idő irányát a mikroszkopikus tartományokban. Talán a makroszkopikus világban az összetört tojás sosem fog magától összeállni, de a bitek és atomok szintjén hamarosan rutinművelet lehet a múltba való visszatérés. (2)

(1) - https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/
(2) - https://www.scientificamerican.com/article/