Otočili tok času. Fyzici vytvorili kvantový „stroj“, dokáže čerpať energiu z ohýbania reality

V našej bežnej realite sme zvyknutí na neúprosný beh času. Rozbitý pohár sa sám od seba nespojí a káva na stole postupne chladne, nie naopak. Vo vesmíre sa však dejú veci, ktoré naše bežné vnímanie fyziky popierajú – podobne ako keď zisťujeme, že aj ten najstabilnejší vesmírny partner nie je tak celkom na svojom mieste a napríklad taký Mesiac potichu uniká našej planéte, čím mení dĺžku pozemského dňa.

Na mikroskopickej úrovni sú však pravidlá hry ešte bizarnejšie. Základné fyzikálne zákony totiž nerozlišujú medzi pohybom v čase vpred a vzad. Pre rovnice kvantovej mechaniky fungujú oba smery úplne rovnako.

Problém doteraz nastával v momente, keď sme sa tieto miniatúrne systémy pokúsili pozorovať. Akonáhle do kvantového systému zasiahneš meraním, náhodne zmeníš jeho stav. Tento akt merania prirodzene vytvára takzvanú šípku času – nezvratný proces, ktorý definuje smer toku udalostí. Vedcom z prestížneho amerického laboratória Los Alamos National Laboratory sa však podarilo tento fundamentálny problém obísť.

Ako vyplynulo z najnovších zistení Science Daily publikovaných vo vedeckom časopise Physical Review X, výskumníci navrhli úplne nové riadiace protokoly, ktoré dokážu potlačiť, alebo dokonca úplne zvrátiť smerovanie tejto šípky času. Pomocou kombinácie presne cielených meraní a okamžitej spätnej väzby prinútili kvantové systémy (napríklad kubity v kvantovom počítači) kopírovať trajektórie, ktoré vyzerajú, akoby sa odohrávali v obrátenom čase.

Aby to dosiahli, navrhli špeciálny riadiaci Hamiltonián – sekvenciu elektromagnetických polí a impulzov, ktorá dokáže presne kompenzovať narušenie spôsobené samotným meraním. To v skutočnosti znamená, že dokážu anomálie spôsobené pozorovaním vyrušiť, zosilniť alebo dokonca prekompenzovať. Výsledkom je kvantový systém, v ktorom sa hranice medzi minulosťou a budúcnosťou začínajú stierať.

Kvantový démon v akcii

Tento prelomový koncept priamo nadväzuje na jeden z najznámejších myšlienkových experimentov z 19. storočia – na takzvaného Maxwellovho démona. V pôvodnom scenári mal tento fiktívny tvor triediť rýchle a pomalé častice plynu, čím by znižoval entropiu systému bez dodania vonkajšej energie, čo zdanlivo odporuje druhému zákonu termodynamiky. Nové fyzikálne poznatky síce ukázali, že zákon porušený nie je, ak započítame všetky termodynamické náklady, no princíp zostáva fascinujúci.

Nový kvantový „démon“ z dielne amerických fyzikov využíva informácie o stave systému a výsledkoch meraní na to, aby dosiahol niečo podobne revolučné. Manipuláciou s informáciami dokáže zvrátiť prirodzený vývoj systému, čím doslova núti kvantový stav tiecť proti prúdu času.

Motor, ktorý vyrába energiu z pozorovania

Táto technológia však nie je len teoretickou hračkou pre nadšencov sci-fi. Fyzici vďaka nej navrhli takzvaný merací motor. Ide o zariadenie, ktoré dokáže premieňať samotný akt monitorovania kvantového systému na čistú, využiteľnú energiu. V tomto nastavení sa kvantové meranie stáva novým typom termodynamického zdroja.

Energiu získanú zo sledovania stavu častíc je možné použiť na pohon iných kvantových procesov alebo ju jednoducho uložiť do špeciálnej kvantovej batérie. Ide o fascinujúci koncept, kde sa samotné získavanie informácií o systéme stáva palivom pre novú generáciu technológií.

Čo nás čaká v budúcnosti?

Tím vedcov pod vedením Luisa Pedra Garcíu-Pintosa už plánuje prejsť od teoretických modelov k reálnym experimentom. Využiť na to chcú supravodivé kubity, ktoré sú ideálne vďaka svojej schopnosti extrémne rýchlej spätnej väzby a vysokej účinnosti detekcie. Tieto systémy už v minulosti poslúžili na úspešné testovanie jednoduchých verzií Maxwellovho démona.

Ak sa tieto experimenty potvrdia v praxi, môžeme očakávať obrovský skok vpred nielen v oblasti kvantových počítačov a presnej prípravy kvantových stavov, ale aj v novom chápaní termodynamiky na mikroskopickej úrovni. Hoci skutočný stroj času pre ľudí zostáva v ríši fantázie, v mikrosvete sme práve dostali kľúč k jeho ovládnutiu.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda