Нова методика квантових обчислень може відкрити всю нашу модель того, як рухається час у Всесвіті.
Ось те, що здалося правдою: час працює в одному напрямку. Інший напрямок? Не так багато.
Це правда в житті. (Вівторок котиться на середу, 2018 на 2019 рік, молодь на старості.) І це правда в класичному комп’ютері. Що це означає? Набагато простіше трохи програмного забезпечення, яке працює на вашому ноутбуці, передбачити, як складна система рухатиметься та розвиватиметься в майбутньому, ніж відтворити своє минуле. Властивість Всесвіту, яку теоретики називають "каузальною асиметрією", вимагає, щоб вона потребувала набагато більше інформації - і набагато складніших обчислень - рухатися в одному напрямку через час, ніж це рухається в іншому. (Практично кажучи, рухатися вперед простіше.)
Це має наслідки в реальному житті. Метеорологи можуть зробити досить хорошу роботу, передбачивши, чи піде дощ через п’ять днів, грунтуючись на даних сучасних радіолокаційних даних. Але попросіть тих самих метеорологів розібратися, чи не піло дощів п’ять днів тому, використовуючи сьогоднішні радіолокаційні зображення? Це набагато складніше завдання, що вимагає набагато більше даних та значно більших комп’ютерів.
Теоретики інформації тривалий час підозрювали, що каузальна асиметрія може бути основоположним ознакою Всесвіту. Ще в 1927 році фізик Артур Едінгтон стверджував, що ця асиметрія є причиною того, що ми рухаємось лише вперед через час, а ніколи назад. Якщо ви розумієте Всесвіт як гігантський комп'ютер, який постійно обчислює свій шлях через час, завжди легше - менш ресурсомістке - речі течуть вперед (причина, потім ефект), ніж назад (ефект, потім причина). Ця ідея називається «стрілою часу».
Але новий документ, опублікований 18 липня у журналі Physical Review X, відкриває двері до можливості того, що ця стрілка є артефактом обчислень у класичному стилі - те, що нам здалося лише завдяки обмеженим інструментам.
Команда дослідників встановила, що в певних обставинах причинно-наслідкова асиметрія зникає всередині квантових комп'ютерів, які обчислюють абсолютно по-іншому. На відміну від класичних комп'ютерів, в яких інформація зберігається в одному з двох станів (1 або 0), з квантовими комп'ютерами інформація зберігається у субатомних частинках, які дотримуються деяких химерних правил, і тому кожна може бути в більш ніж одному стані одночасно. І, що ще привабливіше, їхній документ вказує шлях до майбутніх досліджень, які могли б показати причинну асиметрію, насправді взагалі не існує у Всесвіті.
Як це?
Дуже впорядковані та дуже випадкові системи легко передбачити. (Подумайте про маятник - впорядкований - або хмара газу, що заповнює кімнату - невпорядкована.) У цій роботі дослідники розглядали фізичні системи, які мали рівень розладу та випадковості золотистого хлопця - не надто мало і не надто багато. (Отже, щось на зразок розвиваючої погодних систем.) Комп'ютери це дуже важко зрозуміти, - сказала співавтор дослідження Джейн Томпсон, теоретик складності та фізик, що вивчає квантову інформацію в Національному університеті Сінгапуру.
Далі вони намагалися з'ясувати минулі та майбутнє цих систем, використовуючи теоретичні квантові комп'ютери (фізичні комп'ютери не задіяні). Ці моделі квантових комп'ютерів не тільки використовували менше пам'яті, ніж класичні комп'ютерні моделі, вона сказала, що вони змогли бігати в будь-якому напрямку через час, не використовуючи додаткову пам'ять. Іншими словами, квантові моделі не мали причинної асиметрії.
"Хоча класично, процес може йти в одному з напрямків", - сказав Томпсон Live Science, - наші результати показують, що "квантово механічно" процес може йти в будь-якому напрямку, використовуючи дуже мало пам'яті ".
І якщо це правда всередині квантового комп'ютера, це правда у Всесвіті, - сказала вона.
Квантова фізика - це вивчення дивної ймовірнісної поведінки дуже дрібних частинок - усіх дуже малих частинок у Всесвіті. І якщо квантова фізика справедлива для всіх творів, що складають Всесвіт, це правда і для самої Всесвіту, навіть якщо деякі її більш дивні ефекти не завжди для нас очевидні. Отже, якщо квантовий комп’ютер може працювати без причинної асиметрії, то так може і Всесвіт.
Звичайно, бачити низку доказів того, як працюють квантові комп'ютери одного дня - це не те саме, що бачити ефект у реальному світі. Але ми все ще далекі від квантових комп'ютерів, достатньо просунутих для роботи з тими моделями, які описуються в цій статті, сказали вони.
Більше того, сказав Томпсон, це дослідження не доводить, що ніде у Всесвіті немає причинної асиметрії. Вона та її колеги показали, що в кількох системах немає асиметрії. Але можливо, за її словами, є кілька квантових моделей з голими кістками, де виникає деяка причинно-наслідкова асиметрія.
"Я агностик щодо цього", - сказала вона.
Зараз.
Наступним кроком цього дослідження, за її словами, є відповідь на це питання - з'ясувати, чи існує причинна асиметрія в будь-яких квантових моделях.
Цей документ не доводить, що часу не існує, або що ми одного разу зможемо проскочити назад. Але це, очевидно, показує, що один з ключових складових нашого розуміння часу, причини та наслідків не завжди працює так, як давно вважали вчені - і може взагалі не працювати таким чином. Що це означає для форми часу, а також для решти нас, все ще залишається відкритим питанням.
Справжня практична користь цієї роботи, за її словами, полягає в тому, що таким чином квантові комп’ютери вниз можуть бути спроможними легко виконувати моделювання речей (наприклад, погоди) в будь-якому напрямку через час, без серйозних труднощів. Це була б морська зміна від сучасного світу класичного моделювання.
