بیگ بنگ: یک تکنیک جدید برای محاسبۀ کوانتومی می‌تواند مدل کلی ما از چگونگی کنترل جهان توسط زمان را کنار بگذارد. در اینجا یک رویای طولانی مدت به حقیقت مبدل می‌شود: زمان در یک جهت کار می‌کند. جهت دیگر چطور؟ نه خیلی.

به گزارش بیگ بنگ، این در زندگی درست است و همچنین در یک کامپیوتر کلاسیک نیز درست می‌باشد. این یعنی چه؟ یک نرم‌افزار که در لپ‌تاپ شما کار می‌کند آسانتر می‌تواند پیش‌بینی کند که یک سیستم پیچیده چگونه کار می‌کند و در آینده چگونه توسعه پیدا می‌کند. یک خاصیت جهان که نظریه‌پردازان آن را «عدم‌تقارن سببی» می‌نامند نشان می‌دهد که حرکت در یک جهت در طول زمان به اطلاعات خیلی بیشتری – و محاسبات خیلی پیچیده‌تری – در مقایسه با جهت دیگر نیاز دارد. (به طور عملی می‌توان گفت که حرکت رو به جلو در زمان آسانتر است.)

این کار پیامدهایی را در زندگی واقعی به همراه دارد. هواشناسان بر اساس داده‌های رادار هوایی، می‌توانند بخوبی پیش‌بینی کنند که ظرف پنج روز آینده باران خواهد بارید. اما از همین هواشناس بخواهید بر اساس تصاویر رادار امروز بگوید آیا در پنج روز گذشته باران باریده است. این کار خیلی چالش‌برانگیزتر است و به داده‌های خیلی بیشتری و کامپیوترهای خیلی بزرگتری نیاز دارد.

نظریه‌پردازان اطلاعاتی برای مدت‌های طولانی گمان می‌کردند که عدم‌تقارن سببی می‌تواند ویژگی بنیادی آیندۀ جهان باشد. در سال 1927،  فیزیکدان آرتور ادینگتون استدلال کرد که این عدم‌تقارن دلیلی برای اینکه ما فقط در زمان رو به جلو حرکت کنیم و هرگز به عقب برنگردیم. اگر جهان را به عنوان یک کامپیوتر غول‌پیکر در نظر بگیرید که به طور ثابت در حال محاسبۀ مسیرش در زمان است، همیشه حرکت رو به جلو (اول علت بعدأ معلول) راحت‌تر از حرکت رو به عقب (اول معلول بعدأ علت) است. این ایده «پیکان زمان» نامیده می‌شود.

اما یک مقاله‌ی جدید که در 18 جولای 2018 در مجلۀ  Physical Review X منتشر شد درهای این احتمال را می‌گشاید که پیکان زمان محصول ساختگیِ محاسبه‌ به سبک کلاسیک باشد – چیزی که به دلیل ابزار محدودی که در اختیار داریم ثابت نشده است. تیمی از محققان دریافتند که تحت شرایط خاصی عدم‌تقارن سببی در کامپیوترهای کوانتومی که به روش کاملأ متفاوتی محاسبات را انجام می‌دهند ناپدید می‌شود – برخلاف کامپیوترهای کلاسیک که اطلاعات را در یکی از دو حالت (1 یا صفر) ذخیره می‌کنند، در کامپیوترهای کوانتومی، اطلاعات در ذرات زیراتمی که قواعد عجیب و غریبی را دنبال می‌کنند ذخیره می‌شود و در نتیجه هریک می‌تواند همزمان در بیش از یک حالت حضور داشته باشد. و حتی مقاله‌ی آنها نشان می‌دهد تحقیقات آتی چگونه می‌توانند توجیه کنند که عدم‌تقارن سببی واقعأ در جهان وجود ندارد.

این کار چگونه صورت می‌گیرد؟

سیستم‌های بسیار منظم و تصادفی به آسانی پیش‌بینی می‌شوند. (یک آونگ را تجسم کنید – منظم است – یا یک ابر گازی که اتاق را پر کرده – نامنظم است.) در این مقاله، محققان سیستم‌های فیزیکی را بررسی کردند که کمی اختلال داشتند و تصادفی بودند – نه خیلی کم و نه خیلی زیاد. (چیزی شبیه توسعه ی یک سیستم هواشناسی.) جین تامپسون، نظریه‌پرداز و فیزیکدان پیچیدگی که مشغول به تحصیل در رشته‌ی اطلاعات کوانتومی در دانشگاه دولتی سنگاپور است گفت که درک این مسائل برای کامپیوترها بسیار دشوار است.

سپس آنها سعی کردند گذشته و آینده‌ی این سیستم‌ها را با استفاده از کامپیوترهای کوانتومی نظری تعیین کنند (نه کامپیوترهای فیزیکی). نه تنها این مدل‌های کامپیوترهای کوانتومی نسبت به مدل‌های کامپیوتر کلاسیک از حافظه‌ی کمتری استفاده می‌کنند، بلکه می‌توانند در هر جهتی از زمان حرکت کنند بدون اینکه از حافظه‌ی اضافی استفاده نمایند. به عبارت دیگر، مدل‌های کوانتومی فاقد عدم‌تقارن سببی هستند.

تامپسون به لایو ساینس گفت: «درحالیکه این فرآیند به طور کلاسیکی نمی‌تواند در یکی از جهات [در طول زمان] حرکت کند. تامپسون به لایو ساینس گفت: «نتایج ما نشان می‌دهد که کوانتوم به طور مکانیکی می‌تواند با استفاده از حافظۀ کمی در هر جهتی حرکت کند.» و اگر این قضیه در یک کامپیوتر کوانتومی صحت داشته باشد، در جهان نیز صحت دارد.

فیزیک کوانتومی درواقع مطالعه‌ی رفتارهای احتمالی عجیب و غریب ذرات بسیار کوچک است – تمام ذرات بسیار کوچکی که در جهان وجود دارند. و اگر فیزیک کوانتومی برای تمام اجزای تشکیل دهنده‌ی جهان صدق کند، برای خود جهان نیز صدق می‌کند. بنابراین، اگر یک کامپیوتر کوانتومی بتواند بدون عدم‌تقارن سببی کار کند، آنگاه جهان نیز می‌تواند. البته، مشاهده‌ی یک سری اثبات‌ها دربارۀ اینکه کامپیوترهای کوانتومی یک روز کار می‌کنند همان چیزی نیست که در دنیای واقعی دیده می‌شود. اما هنوز راه طولانی را تا توسعه‌ی کامپیوترهای کوانتومی برای اجرای مدل‌های توصیف شده در این مقاله در پیش داریم.

تامپسون گفت این تحقیق اثبات نمی‌کند که هیچ عدم‌تقارن سببی در جهان وجود ندارد. او و همکارانش نشان دادند که هیچ عدم‌تقارنی در تعداد انگشت‌شماری از سیستم‌ها وجود ندارد. اما این احتمال وجود دارد که مدل‌های کوانتومی پایه‌ای وجود داشته باشند که عدم‌تقارن سببی در آنها ظهور پیدا کند. او گفت: «من بر سر این قضیه بحث دارم.» مرحله‌ بعدی این تحقیق پاسخ به این سئوال است – آیا عدم‌تقارن سببی در مدل‌های کوانتومی وجود دارد.

این مقاله ثابت نمی‌کند که زمان وجود ندارد یا یک روزی خواهیم توانست در جهت عکس زمان حرکت کنیم. اما به نظر نشان می‌دهد که یکی از عناصر سازنده‌ی درک ما از زمان یعنی علت و معلول همیشه به همان صورتی که دانشمندان برای مدت‌های طولانی تصور می‌کردند نیست – و ممکن است اصلأ به آن صورت کار نکند. این چه معنایی برای شکل زمان دارد و برای بقیۀ ما هنوز یک سئوال بدون پاسخ باقی می‌ماند. مزیت عملی واقعی این تحقیق این است که کامپیوترهای کوانتومی می‌توانند شبیه‌سازی‌های چیزهایی مثل آب و هوا را در هر جهتی از زمان به سادگی انجام دهند بدون اینکه با مشکل جدی مواجه شوند. این به اندازه‌ی یک دریا تغییر در دنیای کلاسیک فعلی است.

ترجمه: سحر  الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: livescience.com