Il tempo passa in una direzione: avanti. I ragazzini diventano vecchi ma non viceversa; le tazze da tè si frantumano ma non si ricompongono mai spontaneamente. Questa proprietà crudele e immutabile dell'universo, chiamata "freccia del tempo", è fondamentalmente una conseguenza della seconda legge della termodinamica, che stabilisce che i sistemi tenderanno sempre a diventare più disordinati nel tempo. Ma recentemente, i ricercatori degli Stati Uniti e della Russia hanno piegato leggermente quella freccia, almeno per le particelle subatomiche.
Nel nuovo studio, pubblicato martedì (12 marzo) sulla rivista Scientific Reports, i ricercatori hanno manipolato la freccia del tempo usando un piccolissimo computer quantistico composto da due particelle quantistiche, note come qubit, che eseguivano calcoli.
Su scala subatomica, dove dominano le strane regole della meccanica quantistica, i fisici descrivono lo stato dei sistemi attraverso un costrutto matematico chiamato funzione d'onda. Questa funzione è un'espressione di tutti i possibili stati in cui potrebbe trovarsi il sistema - anche, nel caso di una particella, tutte le possibili posizioni in cui potrebbe trovarsi - e la probabilità che il sistema si trovi in uno di questi stati in un dato momento . Generalmente, con il passare del tempo, le funzioni d'onda si espandono; la posizione possibile di una particella può essere più lontana se aspetti un'ora piuttosto che se aspetti 5 minuti.
Annullare la diffusione della funzione d'onda è come cercare di rimettere il latte versato nella bottiglia. Ma questo è esattamente ciò che i ricercatori hanno realizzato in questo nuovo esperimento.
"Fondamentalmente non esiste alcuna possibilità che ciò accada da solo", ha detto a Live Science il ricercatore capo Valerii Vinokur, un fisico del laboratorio nazionale Argonne in Illinois. "È come dire questo, dove se dai a una scimmia una macchina da scrivere e un sacco di tempo, può scrivere Shakespeare." In altre parole, è tecnicamente possibile ma così improbabile che potrebbe anche essere impossibile.
In che modo gli scienziati hanno reso possibile l'impossibilità sostanziale? Controllando attentamente l'esperimento.
"Hai davvero bisogno di molto controllo per far tornare insieme tutti i pezzi rotti di una tazza da tè", ha detto a Stephen Science Stephen Bartlett, professore di fisica all'Università di Sydney. Bartlett non è stato coinvolto nello studio. "Devi avere molto controllo sul sistema per farlo ... e un computer quantistico è qualcosa che ci consente di avere un enorme controllo su un sistema quantico simulato."
I ricercatori hanno utilizzato un computer quantistico per simulare una singola particella, la sua funzione d'onda si è diffusa nel tempo come un'ondulazione in uno stagno. Quindi, hanno scritto un algoritmo nel computer quantistico che ha invertito l'evoluzione temporale di ogni singolo componente della funzione d'onda, essenzialmente tirando indietro quell'increspatura nella particella che l'ha creata. Hanno compiuto questa impresa senza aumentare l'entropia, o il disordine altrove nell'universo, apparentemente sfidando la freccia del tempo.
Questo significa che i ricercatori hanno creato una macchina del tempo? Hanno violato le leggi della fisica? La risposta è no a entrambe queste domande. La seconda legge della termodinamica afferma che l'ordine dell'universo deve diminuire nel tempo, ma non che non possa mai rimanere lo stesso in casi molto speciali. E questo esperimento era abbastanza piccolo, abbastanza corto e controllato abbastanza che l'universo non ha guadagnato né perso energia.
"È molto complesso e complicato rispedire le onde su uno stagno" una volta che sono state create, ha detto Vinokur, "ma abbiamo visto che ciò era possibile nel mondo quantico, in un caso molto semplice". In altre parole, era possibile quando usavano il controllo dato loro dal computer quantistico per annullare l'effetto del tempo.
Dopo aver eseguito il programma, il sistema è tornato allo stato originale l'85 percento delle volte. Tuttavia, quando fu introdotto un terzo qubit, l'esperimento ebbe successo solo il 50 percento delle volte. I ricercatori hanno affermato che la complessità del sistema probabilmente è aumentata troppo con il terzo qubit, rendendo più difficile per il computer quantistico mantenere il controllo su tutti gli aspetti del sistema. Senza quel controllo, l'entropia non può essere tenuta sotto controllo, e l'inversione del tempo è quindi imperfetta. Tuttavia, puntano a sistemi più grandi e computer quantistici più grandi per i loro prossimi passi, ha detto Vinokur a Live Science.
"Il lavoro è un bel contributo alle basi della fisica", ha detto a Live Science James Whitfield, professore di fisica al Dartmouth College nel New Hampshire, che non era coinvolto nello studio. "Ci ricorda che non tutte le applicazioni dell'informatica quantistica devono essere orientate all'applicazione per essere interessanti".
"Questo è esattamente il motivo per cui stiamo costruendo computer quantistici", ha detto Bartlett. "Questa è una dimostrazione che i computer quantistici possono permetterci di simulare cose che non dovrebbero accadere nel mondo reale."
