Το Cambridge χρησιμοποιεί προσομοιώσεις ταξιδιού στο χρόνο για να λύσει «αδύνατα» προβλήματα.

Οι φυσικοί έχουν δείξει ότι προσομοιωμένα μοντέλα εικονικού ταξιδιού στο χρόνο μπορούν να λύσουν πειραματικά προβλήματα που φαίνονται αδύνατο να λυθούν χρησιμοποιώντας την τυπική φυσική.

Εάν οι τζογαδόροι, οι επενδυτές και οι ποσοτικοί πειραματιστές μπορούσαν να λυγίσουν το βέλος του χρόνου, το πλεονέκτημά τους θα ήταν πολύ μεγαλύτερο, οδηγώντας σε πολύ καλύτερα αποτελέσματα.

Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ έχουν δείξει ότι χειραγωγώντας τη διαπλοκή – ένα χαρακτηριστικό της κβαντικής θεωρίας που κάνει τα σωματίδια εγγενώς συνδεδεμένα – μπορούν να προσομοιώσουν τι θα συνέβαινε αν κάποιος μπορούσε να ταξιδέψει πίσω στο χρόνο. Έτσι, οι τζογαδόροι, οι επενδυτές και οι ποσοτικοί πειραματιστές μπορούν, σε ορισμένες περιπτώσεις, να αλλάξουν αναδρομικά τις προηγούμενες ενέργειές τους και να βελτιώσουν τα αποτελέσματά τους στο παρόν.

Προσομοιώσεις και χρονικοί βρόχοι

Το αν τα σωματίδια μπορούν να ταξιδέψουν πίσω στο χρόνο είναι ένα αμφιλεγόμενο θέμα μεταξύ των φυσικών, αν και οι επιστήμονες το έχουν κάνει προηγουμένως Προσομοιώσεις για το πώς θα συμπεριφέρονταν αυτοί οι χωροχρονικοί βρόχοι αν υπήρχαν στην πραγματικότητα. Συνδέοντας τη νέα τους θεωρία με την κβαντική μετρολογία, η οποία χρησιμοποιεί την κβαντική θεωρία για να κάνει εξαιρετικά ευαίσθητες μετρήσεις, η ομάδα του Κέιμπριτζ έδειξε ότι η εμπλοκή μπορεί να λύσει φαινομενικά αδύνατα προβλήματα. Η μελέτη δημοσιεύτηκε στις 12 Οκτωβρίου στο περιοδικό Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.

«Φανταστείτε ότι θέλετε να στείλετε σε κάποιον ένα δώρο: πρέπει να το στείλετε την πρώτη μέρα για να βεβαιωθείτε ότι θα φτάσει την τρίτη μέρα», είπε ο επικεφαλής συγγραφέας David Arvidsson-Shukur, από το εργαστήριο του Cambridge της Hitachi. “Ωστόσο, λαμβάνετε τη λίστα επιθυμιών αυτού του ατόμου μόνο τη δεύτερη μέρα. Έτσι, σε αυτό το χρονολογικό σενάριο, είναι αδύνατο να γνωρίζετε εκ των προτέρων τι θα θέλουν ως δώρο και να εξασφαλίσετε ότι θα στείλετε το σωστό δώρο.

“Τώρα φανταστείτε ότι θα μπορούσατε να αλλάξετε αυτό που στέλνετε την πρώτη μέρα με πληροφορίες από τη λίστα επιθυμιών που λάβατε τη δεύτερη μέρα. Η προσομοίωση μας χρησιμοποιεί χειραγώγηση κβαντικής εμπλοκής για να δείξει πώς μπορείτε να αλλάξετε αναδρομικά τις προηγούμενες ενέργειές σας για να διασφαλίσετε ότι το τελικό αποτέλεσμα είναι αυτό που θέλω.

Κατανόηση της κβαντικής εμπλοκής

Η προσομοίωση βασίζεται στην κβαντική εμπλοκή, η οποία αποτελείται από ισχυρές συνδέσεις που μπορούν να μοιραστούν τα κβαντικά σωματίδια και που τα κλασικά σωματίδια – αυτά που διέπονται από την καθημερινή φυσική – δεν μπορούν να κάνουν.

Η ιδιαιτερότητα της κβαντικής φυσικής είναι ότι εάν δύο σωματίδια είναι αρκετά κοντά μεταξύ τους για να αλληλεπιδράσουν, μπορούν να παραμείνουν συνδεδεμένα ακόμη και όταν χωριστούν. Αυτή είναι η βάση Ποσοτικές στατιστικές Αξιοποίηση σωματιδίων συνεχούς για την εκτέλεση υπολογισμών πολύ περίπλοκων για κλασικούς υπολογιστές.

«Στην πρότασή μας, ένας πειραματικός επιστήμονας μπλέκει δύο σωματίδια», δήλωσε η συν-συγγραφέας Nicole Younger Halpern, ερευνήτρια στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) και στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ. “Το πρώτο σωματίδιο στη συνέχεια αποστέλλεται για χρήση στο πείραμα. Με τη λήψη νέων πληροφοριών, ο πειραματιστής χειρίζεται το δεύτερο σωματίδιο για να αλλάξει αποτελεσματικά την προηγούμενη κατάσταση του πρώτου σωματιδίου, αλλάζοντας το αποτέλεσμα του πειράματος.

«Το αποτέλεσμα είναι υπέροχο, αλλά συμβαίνει μόνο μία στις τέσσερις φορές!» είπε ο Arvidsson-Shukur. Με άλλα λόγια, η πιθανότητα αποτυχίας της προσομοίωσης είναι 75%. Αλλά τα καλά νέα είναι ότι ξέρετε αν έχετε αποτύχει. Αν παραμείνουμε στην αναλογία του δώρου μας, μία στις τέσσερις φορές το δώρο θα είναι αυτό που θέλετε (για παράδειγμα ένα παντελόνι) και μια άλλη φορά θα είναι ένα παντελόνι αλλά με λάθος μέγεθος ή λάθος χρώμα, ή θα είναι ένα σακάκι».

Πρακτικές εφαρμογές και περιορισμοί

Για να δώσουν στο μοντέλο τους την τεχνική συνάφεια, οι θεωρητικοί το συνέδεσαν με την επιστήμη της ποσοτικής μέτρησης. Σε ένα κοινό πείραμα ποσοτικοποίησης, φωτόνια -μικρά σωματίδια φωτός- εκπέμπονται σε ένα δείγμα ενδιαφέροντος και στη συνέχεια καταγράφονται χρησιμοποιώντας έναν ειδικό τύπο κάμερας. Για να είναι αποτελεσματικό αυτό το πείραμα, τα φωτόνια πρέπει να προετοιμαστούν με συγκεκριμένο τρόπο πριν φτάσουν στο δείγμα. Οι ερευνητές έχουν δείξει ότι ακόμα κι αν μάθουν πώς να προετοιμάζουν καλύτερα τα φωτόνια μόνο αφού τα φωτόνια φτάσουν στο δείγμα, μπορούν να χρησιμοποιήσουν προσομοιώσεις ταξιδιού στο χρόνο για να αλλάξουν αναδρομικά τα αρχικά φωτόνια.

Για να αντιμετωπίσουν την υψηλή πιθανότητα αποτυχίας, οι θεωρητικοί προτείνουν την αποστολή ενός μεγάλου αριθμού εμπλεκόμενων φωτονίων, γνωρίζοντας ότι μερικά από αυτά θα φέρουν τελικά τις σωστές και ενημερωμένες πληροφορίες. Στη συνέχεια χρησιμοποιούν ένα φίλτρο για να βεβαιωθούν ότι τα σωστά φωτόνια περνούν στην κάμερα, ενώ το φίλτρο απορρίπτει τα υπόλοιπα «κακά» φωτόνια.

«Σκεφτείτε την παλαιότερη αναλογία μας για τα δώρα», είπε ο συν-συγγραφέας Aidan McConnell, ο οποίος διεξήγαγε αυτήν την έρευνα ενώ έκανε το μεταπτυχιακό του στο Cavendish Laboratory στο Cambridge, και τώρα είναι διδακτορικός φοιτητής στο ETH της Ζυρίχης. “Ας υποθέσουμε ότι η αποστολή δώρων είναι φθηνή και μπορούμε να στείλουμε πολλά πακέτα την πρώτη μέρα. Μέχρι τη δεύτερη ημέρα ξέρουμε ποιο δώρο θα έπρεπε να είχαμε στείλει. Μέχρι να φτάσουν τα πακέτα την τρίτη ημέρα, ένα στα τέσσερα δώρα θα είναι σωστά, και τα επιλέγουμε.» Λέγοντας στον παραλήπτη ποιες αποστολές πρέπει να απορριφθούν.

«Το ότι χρειαζόμασταν να χρησιμοποιήσουμε έναν υποψήφιο για να πετύχουμε τη δοκιμή μας είναι πραγματικά πολύ καθησυχαστικό», είπε ο Arvidsson-Shukur. “Ο κόσμος θα ήταν πολύ περίεργος εάν οι προσομοιώσεις ταξιδιού στο χρόνο λειτουργούσαν κάθε φορά. Η σχετικότητα και όλες οι θεωρίες στις οποίες βασίζουμε την κατανόησή μας για το σύμπαν μας θα ήταν έξω από το παράθυρο.”

“Δεν προτείνουμε μια μηχανή ταξιδιού στο χρόνο, προτείνουμε μια βαθιά κατάδυση στις θεμελιώδεις αρχές της κβαντικής μηχανικής. Αυτή η προσομοίωση δεν σας επιτρέπει να επιστρέψετε και να αλλάξετε το παρελθόν σας, αλλά σας επιτρέπει να δημιουργήσετε ένα καλύτερο αύριο με διορθώνοντας τα χθεσινά προβλήματα σήμερα».

Αναφορά: «Μη κλασικό χαρακτηριστικό στη μετρολογία που δημιουργείται από κβαντική προσομοίωση εικονικών καμπυλών κλειστού χρόνου» από τους David R. M. Arvidsson-Shukur, Aidan G. McConnell και Nicole Yunger Halpern, 12 Οκτωβρίου 2023, Επιστολές φυσικής ανασκόπησης.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.150202

Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το American Sweden Foundation, το Lars Herta Memorial Foundation, το Girton College και το Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), μέρος του UK Research and Innovation (UKRI).