Các nhà khoa học quay ngược thời gian thành công bằng máy tính lượng tử

Thời gian như một mũi tên rời khỏi dây cung, chỉ có bay về phía trước. Thứ Hai rồi sẽ sang thứ Ba, năm 2021 rồi sẽ sang năm 2022,  một đứa trẻ sẽ trở thành một cụ già. Một tách trà bị vỡ không thể trở lại nguyên vẹn như ban đầu. Nhưng gần đây, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc quay ngược thời gian một chút – ít nhất là đối với các hạt hạ nguyên tử.

Mũi tên thời gian

Từ lâu, các nhà lý thuyết thông tin đã nghi ngờ rằng sự bất đối xứng nhân quả có thể là một đặc điểm cơ bản của vũ trụ. Từ năm 1927, nhà vật lý Arthur Eddington đã lập luận rằng sự bất đối xứng này là lý do khiến chúng ta chỉ di chuyển về phía trước theo thời gian và không bao giờ quay lại. Nếu bạn hiểu rằng Vũ trụ như một máy tính khổng lồ liên tục tính toán theo thời gian, luôn dễ dàng hơn – ít tốn tài nguyên hơn – để mọi thứ trôi về phía trước (bắt đầu là nguyên nhân, sau đó là kết quả) hơn là lùi (bắt đầu là kết quả, sau đó là nguyên nhân). Điều này được gọi là “mũi tên của thời gian.”

Thời gian cũng giống như mũi tên rời khỏi dây cung, chỉ có thể bay về phía trước mà không thể quay trở lại.

Đảo ngược thời gian trên máy tính lượng tử?

Năm 2018, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Singapre đã phát hiện ra rằng trong một số trường hợp nhất định, sự bất đối xứng nhân quả biến mất bên trong máy tính lượng tử, vốn tính toán theo một cách hoàn toàn khác— Không giống như máy tính cổ điển trong đó thông tin được lưu trữ ở một trong hai trạng thái (1 hoặc 0), với máy tính lượng tử, thông tin được lưu trữ trong các hạt hạ nguyên tử tuân theo một số quy tắc kỳ lạ và vì vậy, mỗi hạt có thể ở nhiều trạng thái cùng một lúc. Và, hấp dẫn hơn nữa, bài báo của họ chỉ ra con đường hướng tới nghiên cứu trong tương lai có thể cho thấy sự bất đối xứng nhân quả không thực sự tồn tại trong vũ trụ.

Tiếp nối hướng nghiên cứu này, năm 2019, một nhóm các nhà khoa học Mỹ và Nga đã thành công trong việc hoàn tác (undo) sự lan truyền của một hàm sóng của các hạt hạ nguyên tử trong một máy tính lượng tử.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một máy tính lượng tử để mô phỏng một hạt đơn lẻ, hàm sóng của nó lan truyền theo thời gian giống như một làn sóng gợn trong ao. Sau đó, họ viết một thuật toán trong máy tính lượng tử đảo ngược tiến trình thời gian của mọi thành phần đơn lẻ của hàm sóng, về cơ bản kéo gợn sóng đó trở lại hạt tạo ra nó. Họ đã hoàn thành kỳ tích này mà không làm tăng entropy, không làm rối loạn những nơi khác trong vũ trụ, dường như bất chấp mũi tên của thời gian.

Hoàn tác chức năng lan truyền của sóng cũng tương tự như chúng ta cố gắng gom nhặt hết số sữa đã bị đổ trở lại bình. Nhưng đó là chính xác những gì các nhà nghiên cứu đã đạt được trong thí nghiệm mới này.

Valerii Vinokur, trưởng nhóm nghiên cứu và là một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ở Illinois, nói với Live Science: “Về cơ bản, điều này không thể tự xảy ra. Giống như, nếu bạn trao cho con khỉ một chiếc máy đánh chữ và nhiều thời gian, nó có thể viết tác phẩm Shakespeare”. Nói cách khác, về mặt kỹ thuật thì điều này có thể xảy ra nhưng cũng có thể không xảy ra.

Bằng cách kiểm soát các thử nghiệm một cách tỉ mỉ, các nhà khoa học đã biến điều không thể thành có thể.

 Có vi phạm định luật thứ 2 của nhiệt động lực học?

Điều này có nghĩa là các nhà nghiên cứu đã tạo ra một cỗ máy thời gian? Họ có vi phạm định luật vật lý không? Câu trả lời là không cho cả hai câu hỏi.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học chỉ ra rằng trật tự của vũ trụ phải giảm dần theo thời gian nhưng nó vẫn có thể giữ nguyên trong những trường hợp rất đặc biệt. Và thí nghiệm này đủ nhỏ, đủ ngắn, đủ kiểm soát để vũ trụ không thu thêm hay mất đi năng lượng.

“Khi sóng đã được tạo ra và lan tỏa trong ao, sẽ rất rắc rối và phức tạp để sóng quay trở lại. Nhưng điều này có thể xảy ra trong thế giới lượng tử, trong một trường hợp rất đơn giản”. Nói cách khác, họ có thể có được sự kiểm soát bởi máy tính lượng tử để hoàn tác hiệu ứng của thời gian.

Hệ thống càng phức tạp, việc đảo ngược thời gian càng khó khăn

Sau khi chương trình hoạt động, hệ thống quay trở lại trạng thái ban đầu với 85% thời gian. Tuy nhiên, từ qubit thứ ba hoạt động, tỷ lệ quay trở lại trạng thái ban đầu chỉ đạt 50% thời gian. Theo các nhà nghiên cứu, sự phức tạp của hệ thống đã tăng quá nhiều kể từ qubit thứ ba, khiến máy tính lượng tử cứng hơn để duy trì quyền kiểm soát trên tất cả tình trạng. Nếu không có sự kiểm soát đó, entropy không được kiềm chế và quá trình đảo ngược thời gian không thể hoàn thành. Tuy nhiên, họ đang nhắm đến các hệ thống lớn hơn và các máy tính lượng tử lớn hơn cho các bước tiếp theo.

James Whitfield, giáo sư vật lý tại Trường Cao đẳng Dartmouth ở New Hampshire, ông cũng là người không tham gia vào nhóm nghiên cứu, chia sẻ với Live Science: “Công trình nghiên cứu là một đóng góp tốt đẹp cho nền móng của ngành vật lý. Nó nhắc nhở chúng ta rằng không phải tất cả các ứng dụng trong tính toán lượng tử đều hướng đến sự ứng dụng mới là đều thú vị.

Đây chính là lý do tại sao chúng tôi đang tiếp tục phát triển hệ thống máy tính lượng tử, minh chứng cho thấy máy tính lượng tử có thể cho phép chúng ta mô phỏng những thứ không nên xảy ra trong thế giới thực”.

Theo Livescience

Thiện Tâm

Xem thêm: