Des chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou se sont associés à des collègues des États-Unis et de la Suisse et ont rendu l'état d'un ordinateur quantique une fraction de seconde dans le passé. Ils ont également calculé la probabilité qu'un électron dans l'espace interstellaire vide revienne spontanément dans son passé récent. L'étude est publiée dans Rapports scientifiques .

"Ceci fait partie d'une série d'articles sur la possibilité de violer la deuxième loi de la thermodynamique. Cette loi est étroitement liée à la notion de flèche du temps qui pose la direction à sens unique du temps du passé vers le futur, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Gordey Lesovik, qui dirige le Laboratoire de Physique des Technologies de l'Information Quantique au MIPT.

"Nous avons commencé par décrire une machine dite locale à mouvement perpétuel du second type. Ensuite, en décembre, nous avons publié un article qui traite de la violation de la deuxième loi via un appareil appelé démon de Maxwell, " a déclaré Lesovik. " Le document le plus récent aborde le même problème sous un troisième angle :nous avons créé artificiellement un état qui évolue dans une direction opposée à celle de la flèche thermodynamique du temps. "

Ce qui rend le futur différent du passé

La plupart des lois de la physique ne font aucune distinction entre le futur et le passé. Par exemple, Soit une équation décrivant la collision et le rebond de deux boules de billard identiques. Si un gros plan de cet événement est enregistré avec une caméra et lu à l'envers, il peut encore être représenté par la même équation. De plus, il n'est pas possible de distinguer de l'enregistrement s'il a été falsifié. Les deux versions semblent plausibles. Il semblerait que les boules de billard défient le sens intuitif du temps.

Cependant, imaginez enregistrer une bille blanche brisant la pyramide, les boules de billard s'éparpillent dans tous les sens. Dans ce cas, il est facile de distinguer le scénario réel de la lecture inversée. Ce qui rend ce dernier si absurde, c'est notre compréhension intuitive de la deuxième loi de la thermodynamique :un système isolé reste statique ou évolue vers un état de chaos plutôt que d'ordre.

La plupart des autres lois de la physique n'empêchent pas les boules de billard roulant de s'assembler en une pyramide, thé infusé de refluer dans le sachet de thé, ou un volcan de « entrer en éruption » à l'envers. Mais ces phénomènes ne sont pas observés, car ils nécessiteraient un système isolé pour assumer un état plus ordonné sans aucune intervention extérieure, ce qui va à l'encontre de la deuxième loi. La nature de cette loi n'a pas été expliquée en détail, mais les chercheurs ont fait de grands progrès dans la compréhension des principes de base qui le sous-tendent.

Inversion spontanée du temps

Les physiciens quantiques du MIPT ont décidé de vérifier si le temps pouvait s'inverser spontanément au moins pour une particule individuelle et pour une infime fraction de seconde. C'est-à-dire, au lieu de heurter des boules de billard, ils ont examiné un électron solitaire dans l'espace interstellaire vide.

"Supposons que l'électron soit localisé lorsque nous commençons à l'observer. Cela signifie que nous sommes à peu près sûrs de sa position dans l'espace. Les lois de la mécanique quantique nous empêchent de le connaître avec une précision absolue, mais on peut délimiter une petite région où l'électron est localisé, " déclare Andrey Lebedev, co-auteur de l'étude du MIPT et de l'ETH Zurich.

Le physicien explique que l'évolution de l'état électronique est régie par l'équation de Schrödinger. Bien qu'il ne fasse aucune distinction entre le futur et le passé, la région de l'espace contenant l'électron va s'étendre très rapidement. C'est-à-dire, le système tend à devenir plus chaotique. L'incertitude de la position de l'électron augmente. Ceci est analogue au désordre croissant dans un système à grande échelle, comme une table de billard, en raison de la deuxième loi de la thermodynamique.

"Toutefois, L'équation de Schrödinger est réversible, " ajoute Valerii Vinokur, un co-auteur de l'article, du Laboratoire National d'Argonne, États-Unis " Mathématiquement, cela signifie que sous une certaine transformation appelée conjugaison complexe, l'équation décrira un électron « barbouillé » se relocalisant dans une petite région de l'espace au cours de la même période. » Bien que ce phénomène ne soit pas observé dans la nature, cela pourrait théoriquement se produire en raison d'une fluctuation aléatoire du fond diffus cosmologique imprégnant l'univers.

L'équipe a entrepris de calculer la probabilité d'observer un électron « étalé » sur une fraction de seconde se localisant spontanément dans son passé récent. Il s'est avéré que même pendant toute la durée de vie de l'univers - 13,7 milliards d'années - en observant 10 milliards d'électrons fraîchement localisés chaque seconde, l'évolution inverse de l'état de la particule ne se produirait qu'une seule fois. Et même alors, l'électron ne voyagerait pas plus d'un dix-milliardième de seconde dans le passé.

Les phénomènes à grande échelle impliquant des boules de billard et des volcans se déroulent évidemment sur des échelles de temps beaucoup plus grandes et comportent un nombre incroyable d'électrons et d'autres particules. C'est pourquoi on n'observe pas de rajeunissement de personnes âgées ni de tache d'encre se détachant du papier.

Temps de marche arrière à la demande

Les chercheurs ont ensuite tenté d'inverser le temps dans une expérience en quatre étapes. Au lieu d'un électron, ils ont observé l'état d'un ordinateur quantique composé de deux et plus tard de trois éléments de base appelés qubits supraconducteurs.

• Étape 1 :Commande. Chaque qubit est initialisé dans l'état fondamental, noté zéro. Cette configuration très ordonnée correspond à un électron localisé dans une petite région, ou un rack de boules de billard avant la pause.
• Étape 2 :Dégradation. La commande est perdue. Tout comme l'électron est étalé sur une région de plus en plus grande de l'espace, ou le rack est cassé sur la table de billard, l'état des qubits devient un modèle changeant de zéros et de uns de plus en plus complexe. Ceci est réalisé en lançant brièvement le programme d'évolution sur l'ordinateur quantique. Réellement, une dégradation similaire se produirait d'elle-même en raison des interactions avec l'environnement. Cependant, le programme contrôlé d'évolution autonome permettra la dernière étape de l'expérimentation.
• Étape 3 :Inversion du temps. Un programme spécial modifie l'état de l'ordinateur quantique de manière à ce qu'il évolue alors « en arrière, " du chaos vers l'ordre. Cette opération s'apparente à la fluctuation aléatoire du fond micro-onde dans le cas de l'électron, mais cette fois, il est délibérément induit. Une analogie évidemment farfelue pour l'exemple du billard serait que quelqu'un donne un coup de pied parfaitement calculé à la table.
• Étape 4 :Régénération. Le programme d'évolution de la deuxième étape est à nouveau lancé. A condition que le "coup de pied" ait été délivré avec succès, le programme n'entraîne pas plus de chaos mais ramène plutôt l'état des qubits dans le passé, la façon dont un électron barbouillé serait localisé ou les boules de billard retraceraient leurs trajectoires en lecture inversée, formant finalement un triangle.

Les chercheurs ont découvert que dans 85 pour cent des cas, l'ordinateur quantique à deux qubits est revenu à son état initial. Lorsque trois qubits étaient impliqués, plus d'erreurs se sont produites, résultant en un taux de réussite d'environ 50 pour cent. Selon les auteurs, ces erreurs sont dues aux imperfections de l'ordinateur quantique réel. Au fur et à mesure que des appareils plus sophistiqués sont conçus, le taux d'erreur devrait baisser.

De façon intéressante, l'algorithme d'inversion du temps lui-même pourrait s'avérer utile pour rendre les ordinateurs quantiques plus précis. "Notre algorithme pourrait être mis à jour et utilisé pour tester des programmes écrits pour les ordinateurs quantiques et éliminer le bruit et les erreurs, " expliqua Lebedev.