Sapere Scienza

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Tornare indietro nel tempo? Un computer quantistico lo può fare

28 Marzo 2019

Il trascorrere del tempo può essere quasi un'ossessione per alcuni di noi. Quante volte avremmo voluto possedere il controllo del suo fluire, avremmo desiderato tornare indietro? Il passare di anni, mesi, settimane, giorni, ore, secondi, ci interessa e i suoi effetti li osserviamo prima di tutto riflessi davanti allo specchio. Tutto questo è scientificamente spiegabile con quella che viene definita la freccia del tempo, la progressione da ordine a disordine. Le direzione di questa freccia non può essere modificata, per questo motivo non potremo mai cancellare le nostre rughe o riportare alla forma originaria una tazza rotta. O ci sbagliamo? Un team internazionale di ricercatori ha svolto un nuovo esperimento, esaminando se in natura sia possibile tornare indietro nel tempo spontaneamente e hanno cercato anche di farlo artificialmente, con i qubit di un computer quantistico.

 

La freccia del tempo e la seconda legge della termodinamica

 

Molte leggi della fisica descrivono fenomeni non distinguendo il passato dal futuro, un esempio è l'equazione che descrive collisione e rimbalzo tra due palle da biliardo. Registrando con una videocamera l'evento, il video ottenuto sarà descritto dalla stessa equazione anche se riprodotto all'indietro e, inoltre, nessuno riuscirebbe a capire se la registrazione è stata contraffatta poiché entrambe le versioni sembreranno plausibili. La questione cambia nel momento in cui registriamo una singola palla da biliardo rompere una piramide di altre palle: le sfere si disperderanno in tutte le direzioni e il portare indietro il nastro ci offrirà una visione che troveremmo surreale. È questa la nostra percezione intuitiva del secondo principio della termodinamica, il quale afferma che è impossibile realizzare una trasformazione il cui unico risultato sia il passaggio di calore da un corpo a temperatura minore a un altro a temperatura maggiore. In altre parole, un sistema isolato può rimanere fermo oppure evolvere verso uno stato più caotico invece che più ordinato. Non vedremo mai le palle da biliardo riformare una perfetta piramide o i frammenti di una tazza rotta ritornare a ricomporre il contenitore, questo perché richiederebbe al sistema isolato di partire da uno stato di disordine per andare verso uno stato ordinato, senza un intervento esterno, e ciò contravverrebbe alla seconda legge della termodinamica. La direzione della freccia del tempo non si può cambiare, l'entropia, il caos, comanda e non abbiamo i mezzi per invertire questo processo. O almeno così credevamo.

 

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Un'inversione spontanea

 

Lo studio pubblicato su Scientific Reports da un gruppo internazionale di ricercatori provenienti da Russia, Stati Uniti e Svizzera, è stato pioneristico. I fisici hanno deciso di controllare prima di tutto se la direzione del tempo potesse invertirsi in maniera spontanea, in un'unica particella e per una piccolissima frazione di secondo. Andrey Lebedev, coautore dell'articolo, ha spiegato: "Supponiamo che l'elettrone sia localizzato quando iniziamo a osservarlo. Questo significa che siamo piuttosto sicuri della sua posizione nello spazio. Le leggi della meccanica quantistica ci impediscono di saperlo con assoluta precisione ma possiamo delineare una piccola regione dove sarà presente l'elettrone". L'evoluzione dello stato dell'elettrone seguirà l'equazione di Schrödinger. Nonostante non faccia distinzione tra passato e futuro, la regione di spazio che contiene l'elettrone si allargherà molto velocemente, ossia il sistema tenderà a divenire più caotico e l'incertezza sulla posizione della particella aumenterà. Ciò è analogo a quello che succede per scale di grandezza maggiori, ad esempio alle palle disposte a piramide sul tavolo da biliardo, ed è dovuto al secondo principio della termodinamica. Però l'equazione di Schrödinger è reversibile: matematicamente, con una determinata trasformazione, l'equazione descriverà un elettrone che ritorna in una piccola regione di spazio nello stesso lasso di tempo. Questo fenomeno non è stato osservato in natura ma potrebbe avvenire spontaneamente a causa di fluttuazioni casuali della radiazione cosmica di fondo che permea l'Universo. Secondo i calcoli degli scienziati, nell'intera vita dell'Universo, 13,7 miliardi di anni, osservando 10 miliardi di elettroni appena localizzati ogni secondo, l'evoluzione inversa dello stato della particella accadrebbe solo una volta e questo piccolissimo viaggio nel tempo avrebbe una durata di 10 miliardesimi di secondo. Ciò spiega l'impossibilità di tornare indietro nel tempo spontaneamente su larga scala: una palla da biliardo è composta da tantissimi elettroni e altre particelle che dovrebbero tornare indietro nel tempo contemporaneamente e per scale temporali molto più grandi di infinitesime frazioni di secondo.

 

La macchina del tempo: il computer quantistico
 

È un evento più che raro che una particella torni indietro spontaneamente. E se le dessimo una "spintarella"? I fisici hanno tentato di invertire la freccia del tempo in un esperimento in quattro fasi. Invece di un elettrone, hanno osservato lo stato di un computer quantistico con due e, in seguito, tre qubit.
Nel primo stadio dell'esperimento ciascun qubit era in uno stato iniziale, assunto come zero, una configurazione altamente ordinata, corrispondente all'elettrone localizzato in una regione piccola di spazio o, proseguendo con l'esempio del biliardo, la piramide di palle prima di essere colpita.
Nella seconda fase l'ordine è turbato, come nell'elettrone che si spalma in una regione di spazio sempre più ampia e le palle da biliardo che vengono sparpagliate sulla superficie da un colpo ben assestato. Proprio così lo stato dei qubit diviene complesso. Questo avviene lanciando un programma di evoluzione sul computer quantistico ma, allo stato attuale, succederebbe anche a causa della semplice interazione con l'ambiente.
Nella terza fase c'è l'inversione del tempo: uno speciale algoritmo modifica lo stato del computer quantistico in modo da portarlo "indietro", dal disordine all'ordine, similmente all'effetto della fluttuazione della radiazione cosmica di fondo sull'elettrone ma, in questo caso, il fenomeno è artificiale, indotto dall'uomo. Ritornando al nostro biliardo e forzando un po' la mano, questa operazione sarebbe analoga a un calcio ben calcolato al tavolo da biliardo per far tornare le palle nella posizione originaria.
Infine vi è la "rigenerazione", stadio in cui il programma della seconda fase viene rilanciato. Se la terza fase è avvenuta con successo, il programma avrà portato lo stato dei qubit nel passato, non ci sarà maggiore disordine, come per l'elettrone localizzato e le palle da biliardo tornate a formare un triangolo.

 

Riusciremo a viaggiare nel tempo?

 

Per il computer quantistico con due qubit si torna allo stato iniziale nell'85% dei casi, mentre la presenza di tre qubit abbassa la probabilità di successo al 50%, secondo gli autori a causa delle imperfezioni degli attuali computer quantistici.
Una volta stabilito che non potremmo salire sulla DeLorean della pellicola cinematografica Ritorno al Futuro, quali ripercussioni avrà sulla nostra vita questo straordinario esperimento? L'algoritmo per invertire la freccia del tempo potrebbe essere utile per rendere più precisi i computer quantistici. Lebedev ha spiegato: "Il nostro algoritmo potrebbe essere aggiornato e impiegato per testare programmi scritti per computer quantistici e eliminare rumore di fondo ed errori".

 

La tecnologia dei computer ha fatto grandi passi in avanti dalle sue origini. Per conoscere qualcosa in più della sua evoluzione, vi consigliamo di acquistare e leggere l'articolo di Luigi Borzacchini, "La storia antropologica del computer", pubblicato nel numero di giugno 2014 di Sapere.

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