Les scientifiques inversent le temps dans un ordinateur quantique


Le temps va dans une direction: en avant. Les petits garçons deviennent des hommes âgés mais pas l'inverse; Les tasses à thé se brisent mais ne se rassemblent jamais spontanément. Cette propriété cruelle et immuable de l'univers, appelée "flèche du temps", est fondamentalement une conséquence de la deuxième loi de la thermodynamique, selon laquelle les systèmes auront toujours tendance à devenir plus désordonnés au fil du temps. Mais récemment, des chercheurs américains et russes ont légèrement plié cette flèche – du moins pour les particules subatomiques.

Dans la nouvelle étude, publiée mardi 12 mars dans la revue Scientific Reports, les chercheurs ont manipulé la flèche du temps à l'aide d'un très petit ordinateur quantique composé de deux particules quantiques, connues sous le nom de qubits, permettant d'effectuer des calculs. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]

À l'échelle subatomique, où règnent les règles étranges de la mécanique quantique, les physiciens décrivent l'état des systèmes par le biais d'une construction mathématique appelée fonction d'onde. Cette fonction est une expression de tous les états possibles dans lesquels le système pourrait se trouver – même dans le cas d'une particule, de tous les emplacements possibles dans lesquels il pourrait se trouver – et de la probabilité que le système se trouve dans l'un de ces états à un moment donné. . Généralement, au fil du temps, les fonctions d'onde se développent; L'emplacement possible d'une particule peut être plus éloigné si vous attendez une heure que si vous attendez 5 minutes.

Annuler la propagation de la fonction vague revient à essayer de remettre le lait renversé dans la bouteille. Mais c'est exactement ce que les chercheurs ont accompli dans cette nouvelle expérience.

"Il n'y a pratiquement aucune chance que cela se produise tout seul", a déclaré à Live Science Valerii Vinokur, physicien au Laboratoire Argonne National dans l'Illinois. "C'est comme si on disait: si vous donnez une machine à écrire à un singe et qu'il passe beaucoup de temps, il pourrait écrire Shakespeare." En d’autres termes, c’est techniquement possible mais tellement improbable que cela pourrait aussi bien être impossible.

Comment les scientifiques ont-ils rendu l'impossible impossible? En contrôlant soigneusement l'expérience.

"Vous avez vraiment besoin de beaucoup de contrôle pour reconstituer tous les morceaux d'une tasse de thé", a déclaré Stephen Bartlett, professeur de physique à l'Université de Sydney, à Live Science. Bartlett n'était pas impliqué dans l'étude. "Vous devez avoir beaucoup de contrôle sur le système pour pouvoir le faire … et un ordinateur quantique est quelque chose qui nous permet d'avoir beaucoup de contrôle sur un système quantique simulé."

Les chercheurs ont utilisé un ordinateur quantique pour simuler une seule particule, sa fonction d'onde s'étalant dans le temps comme une ondulation dans un étang. Ensuite, ils ont écrit un algorithme dans l'ordinateur quantique qui inversait l'évolution temporelle de chaque composant de la fonction d'onde, en ramenant essentiellement cette ondulation dans la particule qui l'a créée. Ils ont accompli cet exploit sans augmenter l'entropie ni créer de désordre ailleurs dans l'univers, défiant apparemment la flèche du temps.

Est-ce que cela signifie que les chercheurs ont créé une machine à remonter le temps? Ont-ils violé les lois de la physique? La réponse est non à ces deux questions. La deuxième loi de la thermodynamique dit que l'ordre de l'univers doit décroître avec le temps, mais non qu'il ne peut jamais rester le même dans des cas très particuliers. Et cette expérience était suffisamment petite, suffisamment courte et suffisamment contrôlée pour que l'univers ne gagne ni ne perde de l'énergie.

"C'est très complexe et compliqué d'envoyer des vagues sur un étang" une fois qu'elles ont été créées, a déclaré Vinokur, "mais nous avons vu que cela était possible dans le monde quantique, dans un cas très simple." En d’autres termes, c’était possible quand ils utilisaient le contrôle que leur donnait l’ordinateur quantique pour annuler l’effet du temps.

Après avoir exécuté le programme, le système est revenu à son état initial 85% du temps. Cependant, lorsqu'un troisième qubit a été introduit, l'expérience n'a réussi que 50% du temps. Les chercheurs ont déclaré que la complexité du système augmentait probablement trop avec le troisième qubit, rendant plus difficile pour l'ordinateur quantique de garder le contrôle de tous les aspects du système. Sans ce contrôle, l'entropie ne peut être maîtrisée et le retournement temporel est donc imparfait. Pourtant, ils visent des systèmes plus grands et des ordinateurs quantiques plus grands pour leurs prochaines étapes, a déclaré Vinokur à Live Science.

"Ce travail constitue une contribution précieuse aux fondements de la physique", a déclaré à Live Science James Whitfield, professeur de physique au Dartmouth College du New Hampshire, qui ne participait pas à l'étude. "Cela nous rappelle que toutes les applications de l'informatique quantique ne doivent pas nécessairement être orientées application pour être intéressantes."

"C’est exactement la raison pour laquelle nous construisons des ordinateurs quantiques", a déclaré Bartlett. "C'est une démonstration que les ordinateurs quantiques peuvent nous permettre de simuler des choses qui ne devraient pas se produire dans le monde réel."

Publié à l'origine sur Science en direct.