Violato il secondo principio della termodinamica usando un computer quantistico

La seconda legge della termodinamica è un principio guida per l'universo. In soldoni, dice che le cose calde diventano più fredde con il passare del tempo mentre l'energia si trasforma e si diffonde dalle aree circostanti a temperatura inferiore.

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È facile dare per scontata la freccia del tempo ma la fisica ci dimostra che i suoi meccanismi funzionano in modo altrettanto fluido al contrario. Quindi, in via ipotetica, si potrebbe pensare che la freccia del tempo possa essere invertita. Forse costruire un macchina del tempo è possibile, dopotutto?
Un esperimento realizzato qualche tempo fa dimostra cosa ci si possa aspettare quando si tratta di distinguere il passato dal futuro, almeno su scala quantistica. Probabilmente non sarà mai possibile tornare indietro e rivivere gli anni ’60 e questo esperimento potrebbe aiutarci a capire meglio perché non è possibile ma anche come sia possibile violare la seconda legge.
Ricercatori provenienti dalla Russia e dagli Stati Uniti si sono uniti per trovare un modo per rompere, o almeno piegare, una delle leggi fondamentali sull’energia della fisica.
La seconda legge della termodinamica è un principio guida per l’universo. In soldoni, dice che le cose calde diventano più fredde con il passare del tempo mentre l’energia si trasforma e si diffonde dalle aree circostanti a temperatura inferiore.
È un principio che spiega perché il caffè non si surriscalda in una stanza fredda, perché è più facile strapazzare un uovo piuttosto che rimetterlo insieme e perché nessuno ti lascerà mai brevettare una macchina del moto perpetuo.
E’ anche il motivo per cui possiamo ricordare quello che abbiamo mangiato a cena la scorsa notte, ma non ricordiamo il prossimo Natale.
Questa legge è strettamente correlata alla nozione di freccia del tempo che postula la direzione del tempo a senso unico dal passato al futuro“, afferma il fisico quantistico Gordey Lesovik dell’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca.
Praticamente ogni altra regola della fisica può essere invertita e restare ancora sensata. Ad esempio, puoi esaminare una partita di biliardo e una singola collisione tra due palle qualsiasi non sembrerà strana se capita di vederla accadere al contrario.
D’altra parte, se guardassi le palle rotolare fuori dalle buche e riformare la piramide di partenza, resteresti almeno perplesso. Questa succede perché la seconda legge compie il suo lavoro.
Sulla scala macro delle omelette e del gioco del biliardo, non dovremmo aspettarci molto danno dalle leggi della termodinamica. Ma se ci concentriamo sui piccoli ingranaggi della realtà – in questo caso, gli elettroni solitari – appaiono delle falle.
Gli elettroni non sono come piccole palle da biliardo, sono più simili alle informazioni che occupano uno spazio. I loro dettagli sono definiti da una cosa chiamata equazione di Schrödinger, che rappresenta le caratteristiche di un elettrone come un’onda di possibilità.
Se questo è un po’ confuso, torniamo a immaginare una partita di biliardo, ma questa volta a luci spente. Inizi con le informazioni, una pallina da biliardo nella tua mano, poi falla rotolare attraverso il tavolo.
Matematicamente, accade che sotto una certa trasformazione chiamata coniugazione complessa, l’equazione descriverà un elettrone “spalmato” che si localizza nuovamente in una piccola regione dello spazio nello stesso periodo di tempo“.
È come se la tua pallina non si stesse espandendo in un’ondata di infinite possibili posizioni e velocità sul tavolo buio, ma stesse tornando nella tua mano.
In teoria, non c’è nulla che impedisca che questa cosa si verifichi spontaneamente. Avresti bisogno di fissare 10 miliardi di tavoli da biliardo elettronici ogni secondo e la vita del nostro Universo per vederlo accadere una volta, però.
Piuttosto che armarsi di pazienza e aspettare, il team ha usato gli stati indeterminati delle particelle in un computer quantico, trasformandoli nella loro palla da biliardo, e alcune manipolazioni intelligenti del computer come loro ‘macchina del tempo‘.
Ciascuno di questi stati, o qubit, era organizzato in uno stato semplice che corrispondeva a una mano che teneva la palla. Una volta che il computer quantico è stato messo in azione, questi stati si sono diffusi in una gamma di possibilità.
Modificando certe condizioni nel setup del computer, quelle possibilità erano limitate in un modo che da riavvolgere deliberatamente l’equazione di Schrödinger.
Per testare questo, il team ha modificato di nuovo le impostazioni, come se qualcuno prendesse a calci un tavolo da biliardo e guardasse le palline sparpagliarsi riprendendo l’iniziale disposizione a piramide. In circa l’85% delle prove basate su due soli qubit, questo è esattamente quello che è successo.
A livello pratico, gli algoritmi utilizzati per manipolare l’equazione di Schrödinger in modo che si riavvolga potrebbero contribuire a migliorare l’accuratezza dei computer quantistici.
Non è la prima volta che questo team ha dato una scossa alla seconda legge della termodinamica. Un paio di anni fa intrappolarono alcune particelle e riuscirono a farle riscaldare e raffreddare in modo tale da comportarsi come una macchina del moto perpetuo.
Trovare i modi per spingere i limiti delle leggi fisiche sulla scala quantica potrebbe aiutarci a capire meglio perché l’Universo ‘scorre’ come fa.
Questa ricerca è stata pubblicata in Scientific Reports.