Un ordinador quàntic fa retrocedir la història una fracció de segon

El curiós cas de Benjamin Button, un conte de F. Scott Fitzgerald adaptat després al cine amb Brad Pitt de protagonista, explica la història d’un home que viu al revés: quan neix és un vell, però amb els anys es va rejovenint fins a morir quan és un nadó. No és una cosa que s’acostumi a veure a la vida real. La pregunta és: per què no?

Arran d’un experiment que constitueix un triomf tecnològic per als aspirants a Benjamin Button del món virtual, un equip de físics quàntics informaven al començament de l’any que havien aconseguit crear un algoritme informàtic capaç d’actuar com una mena de font de la joventut.

Una victòria escassa

Gràcies a la utilització d’un ordinador quàntic d’IBM, els científics han aconseguit revertir una milionèsima de segon l’envelliment d’una partícula elemental simulada. De tota manera, aquest èxit ha sigut com a màxim una victòria escassa, perquè han fet falta unes manipulacions amb tan poques probabilitats de produir-se espontàniament a la natura que, tot plegat, no ha fet sinó reforçar la idea que estem irremissiblement sotmesos al pas del temps.

La majoria de nosaltres ja veiem que els àtoms d’un ou remenat no es poden reordenar per tornar-los a introduir a la closca impol·luta d’on han sortit. Ara sembla que, en condicions normals, ni una sola partícula pot retrocedir en el temps sense cap ajuda ni alteracions meticuloses.

Tal com explica en un correu electrònic l’investigador Valerii M. Vinokur, de l’Argonne National Laboratory dels Estats Units: “Demostrem que fer retrocedir en el temps ni que sigui només una única partícula quàntica és una feina que la natura tota sola és absolutament incapaç de fer”. Vinokur és un dels cinc aspirants a “senyors del temps”, dirigits pel científic Gordey B. Lesovik, de l’Institut de Física i Tecnologia de Moscou. “El sistema que comprèn dues partícules és encara més irreversible, per no parlar dels ous -compostos per milers de milions de partícules- que trenquem per fer una truita”, ironitza.

El temps en el món quàntic

Sobre el paper, les lleis bàsiques de la física són reversibles: funcionen matemàticament tant si el temps va cap endavant com si retrocedeix. Però si el temps és només una altra dimensió de l’espai-temps, com deia Einstein, és una dimensió estranya que va en una sola direcció. Al món real, podem sortir del metro i girar a l’esquerra o a la dreta, però no tenim l’opció d’avançar o retrocedir en el temps. Sempre ens estem dirigint cap al futur.

Sembla que ens trobem en mans de la segona llei de la termodinàmica, segons la qual, en un sistema tancat com per exemple l’Univers, el desordre i la complexitat només poden augmentar. Per tant, els àtoms d’un ou no es tornen a ajuntar ni a reordenar mai. Això és així, en part, perquè tenen moltíssimes més possibilitats de barrejar-se que no pas de reordenar-se, de tal manera que l’ou torni a l’estat inicial.

Però la direcció de la fletxa del temps no depèn només de les grans magnituds. Segons la teoria quàntica -aquest paradoxal conjunt de regles que regeixen l’univers subatòmic-, ni una sola partícula pot revertir el seu recorregut al llarg del temps. El principi d’incertesa, que té un paper fonamental en la mecànica quàntica, afirma que, en un moment donat, es pot especificar la ubicació o la velocitat d’una partícula subatòmica, però no totes dues coses alhora. En conseqüència, una partícula -com ara un electró o un neutrí- o fins i tot un sistema format per diverses partícules, es representen per mitjà d’una entitat matemàtica anomenada funció d’ona. La magnitud d’aquesta funció no és un paràmetre mesurable directament, sinó que està relacionat amb la probabilitat de trobar una partícula en una certa condició o en un lloc determinat.

La funció d’ona s’estén per l’espai i el temps. La llei que en descriu l’evolució, coneguda com a equació de Schrödinger -pel físic austríac Erwin Schrödinger, que la va plantejar als anys 20 del segle passat-, és igualment vàlida tant si el temps avança com si retrocedeix. Però aconseguir que una funció d’ona faci marxa enrere en el temps no és pas tan senzill.

Jugar a billar quàntic

Valerii M. Vinokur ho compara amb el fet d’enviar una bola de billar al punt de partida a tota velocitat. Sembla fàcil: només cal donar-hi un copet amb el tac. Però si és una bola quàntica, entra en acció el principi d’incertesa: es pot saber amb quina força cal donar el cop a la bola o fins i tot en quina direcció, però no totes dues coses alhora. Tal com diu Vinokur: “La bola quàntica, per tant, no tornarà mai al punt d’origen a conseqüència del principi d’incertesa”.

A més, a la mecànica quàntica la bola en realitat és una ona: tan bon punt se sap on és, es propaga com les ones d’un estany i evoluciona. Per fer-la retrocedir no n’hi ha prou amb un copet de tac. Cal invertir les fases de les ones, convertir les crestes en valls i viceversa, una operació massa complexa perquè la naturalesa la faci tota sola, sense cap mena d’ajuda.

L’ordinador quàntic entra en escena

A diferència dels ordinadors habituals, que processen una sèrie de zeros i uns, o bits, els ordinadors quàntics estan fets amb els anomenats qbits o bits quàntics, cadascun dels quals pot prendre els valors 0 i 1 al mateix temps. Un ordinador quàntic pot fer, així, milers o milions de càlculs simultàniament, només amb la condició que ningú vulgui saber-ne la resposta fins al final.

Moltes de les principals empreses tecnològiques -com ara Google, Microsoft i IBM- competeixen per construir aquestes màquines, que podrien arribar a resoldre problemes que no estan a l’abast dels ordinadors tradicionals, com per exemple descodificar codis criptogràfics que en aquests moments són impossibles de desxifrar. Segons alguns científics, la naturalesa mateixa és un ordinador quàntic, i la principal utilitat d’aquest ordinador serà precisament simular i explorar les paradoxes de la raresa quàntica.

I això és el que Lesovik i els seus col·legues es van proposar com a objectiu: intentar que una funció d’ona retrocedís amb l’ajuda d’un ordinador quàntic d’IBM al qual pot accedir tothom a través d’internet. “Encara no sabem -afirmava l’equip d’investigadors a l’article publicat en línia al febrer- si la irreversibilitat del temps és una llei fonamental de la naturalesa o si, al contrari, es pot eludir”.

L’ordinador d’IBM que han fet servir representa un pas molt petit cap al que els teòrics en diuen supremacia quàntica. Només té 5 qbits (també hi ha màquines d’IBM amb 16 i 20 qbits), en comparació amb els 72 qbits del Bristlecone, l’ordinador més avançat de Google. Per fer les coses encara més senzilles, l’equip només va utilitzar dos o, de vegades, tres d’aquests qbits.

Rejovenir en quatre etapes

L’experiment per revertir el temps va ser un procés amb quatre etapes. Primer, van deixar els qbits preparats en un estat inicial senzill que imitava “un àtom artificial”, explica Vinokur. A més, els qbits es van entrellaçar mitjançant el que Einstein denominava una “acció fantasmal a distància”: el que li passava a un qbit afectava instantàniament els mesuraments de l’altre (o dels altres dos, depenent de quants qbits s’estiguessin utilitzant).

A continuació, l’equip va prémer els qbits amb tota una sèrie de polsos de radiació electromagnètica situada a la franja de les microones, que els van fer passar d’un estat senzill a un altre de més complex. Després d’una milionèsima de segon, els científics van aturar aquesta fase -l’anomenat programa d’evolució – i van sotmetre els qbits a un altre pols de microones per revertir la fase en què es trobaven i preparar-los per tornar a la joventut. “Parlant gràficament, convertim les anelles concèntriques de l’estany en unes anelles preparades per tornar al seu origen”, explica Vinokur. Aquest procés va durar una altra milionèsima de segon.

Un cop fet això, l’equip va tornar a posar en marxa el programa d’evolució. I va ser llavors quan els qbits van tornar a la seva disposició originària, és a dir, al seu passat. Efectivament, van esdevenir una milionèsima de segon més joves.

El problema de la decoherència

L’algoritme ha funcionat bé pràcticament sempre. Va aconseguir fer tornar els qbits a la joventut el 85% de les vegades quan el càlcul comprenia dos qbits, però només la meitat de vegades quan es feien servir tres qbits. Els autors han atribuït aquesta fiabilitat més baixa a les imperfeccions de l’ordinador quàntic i també a la tendència dels qbits a perdre la sincronia quan augmenten de nombre, un procés que és la dificultat principal a què s’han d’enfrontar els científics i que es coneix com a decoherència.

A la llarga caldran màquines amb centenars de qbits per fer realitat les ambicions dels matemàtics quàntics. Quan ja disposem d’aquests ordinadors, l’algoritme per revertir el temps podria servir per posar-los a prova, tal com assenyalava, en un comunicat de premsa de l’Institut de Física i Tecnologia de Moscou, Andrei V. Lebedev, físic de la universitat ETH Zürich, a Suïssa, i autor de l’article.

Mentre això no s’aconsegueix, qualsevol que tingui accés a un ordinador quàntic pot jugar a fer de Benjamin Button amb l’ajuda d’aquest algoritme. Com diu el doctor Vinokur: “Ara tothom té la possibilitat de rejovenir els qbits”. Si més no, s’hi pot jugar als nombrosos mons del ciberespai. Però a la vida real encara és massa complicat per a la naturalesa revertir l’envelliment d’una sola partícula. No hi ha, ara per ara, cap manera d’evitar que ens fem vells mentre ens precipitem inexorablement aigües avall pel riu del temps.

Traducció de Lídia Fernández Torrell

Anar a la font – Ara.cat

Deixa un comentari

%d bloggers like this: