時間は一方向に進みます。小さな男の子は老人になりますが、その逆はありません。ティーカップは粉々になりますが、自然に再組み立てされることはありません。 「時間の矢」と呼ばれるこの宇宙の残酷で不変の特性は、基本的に熱力学の第2法則の結果であり、システムは常に時間とともに無秩序になる傾向があることを示しています。しかし最近、米国とロシアの研究者たちは、少なくとも亜原子粒子については、その矢をほんの少し曲げました。
火曜日（3月12日）にジャーナルScientific Reportsで公開された新しい研究では、研究者たちは、計算を実行するキュービットと呼ばれる2つの量子粒子でできた非常に小さな量子コンピューターを使用して、時間の矢を操作しました。
量子力学の奇妙な規則が支配する亜原子スケールでは、物理学者は波動関数と呼ばれる数学的構造を通じてシステムの状態を記述します。この関数は、システムが存在する可能性のあるすべての状態（パーティクルの場合でも、それが存在する可能性のあるすべての位置）と、システムが任意の時点でこれらの状態のいずれかにある確率の式です。一般的に、時間の経過とともに波動関数は広がります。パーティクルの可能な位置は、5分待つよりも1時間待つほうが遠くにある可能性があります。
波動関数の広がりを元に戻すのは、こぼれたミルクをボトルに戻そうとするようなものです。しかし、それはまさにこの新しい実験で研究者が達成したことです。
イリノイ州のアルゴンヌ国立研究所の物理学者である主任研究員のバレリー・ビノクール氏は、「基本的にこれが単独で起こる可能性はない」とLive Scienceに語った。 「サルにタイプライターと多くの時間を与えると、彼はシェイクスピアを書くかもしれないと言っているようなものです。」つまり、技術的には可能ですが、不可能である可能性はほとんどありません。
科学者たちはどのようにして本質的に不可能なことを起こしましたか？実験を注意深く制御する。
シドニー大学の物理学教授であるスティーブンバートレット氏は、ライブサイエンス紙に、「ティーカップのすべての壊れた破片を元に戻すには、本当に多くの制御が必要です」と語った。バートレットは研究に関与していませんでした。 「それを行うには、システムをかなり制御する必要があります。量子コンピューターは、シミュレートされた量子システムを大量に制御できるものです。」
研究者たちは量子コンピュータを使用して単一の粒子をシミュレートし、その波動関数は池の波紋のように時間とともに広がりました。次に、波動関数のすべての単一成分の時間発展を逆転させる量子コンピューターでアルゴリズムを作成し、本質的にそのリップルを作成した粒子に引き戻しました。彼らはエントロピーや宇宙の他の場所での無秩序を増加させることなくこの偉業を成し遂げたように見え、時間の矢に逆らっているように見えます。
これは、研究者がタイムマシンを作ったことを意味しますか？彼らは物理法則に違反しましたか？どちらの質問にも答えはありません。熱力学の第2法則は、宇宙の秩序は時間とともに減少しなければならないが、非常に特殊なケースでは決して同じ状態を保つことができないということではないと述べています。そして、この実験は十分に小さく、十分に短く、十分に制御されていたため、宇宙はエネルギーを獲得したり失うことはありませんでした。
「池に波を送り返すのは非常に複雑で複雑です」とVinokur氏は語った。「非常に単純なケースでは、これが量子の世界で可能であることがわかりました。」つまり、量子コンピュータから与えられた制御を使用して、時間の効果を取り消すことが可能でした。
プログラムを実行した後、システムは85％の時間、元の状態に戻りました。しかし、3番目のキュービットが導入されたとき、実験は50％の時間しか成功しませんでした。研究者らは、システムの複雑さは3番目の量子ビットで増加しすぎた可能性が高く、量子コンピューターがシステムのすべての側面の制御を維持することを困難にしていると述べた。その制御なしでは、エントロピーを抑えることができないため、時間の逆転は不完全です。それでも、彼らは次のステップとして、より大きなシステムとより大きな量子コンピューターを目指していると、VinokurはLive Scienceに語った。
「この研究は物理学の基礎への素晴らしい貢献です」と研究に関与しなかったニューハンプシャーのダートマス大学の物理学の教授であるジェームズ・ウィットフィールドはLive Scienceに語った。 「量子コンピューティングのすべてのアプリケーションが面白くなるためにアプリケーション指向である必要があるわけではないことを思い出させます。」
「これこそが、量子コンピュータを構築している理由です」とバートレット氏は述べています。 「これは、量子コンピューターが現実の世界では起こらないはずのことをシミュレートすることを可能にすることの実証です。」
