Ở hàng ngũ nhà nghiên cứu của Viện Vật lý và Công nghệ Moscow, có một đội ngũ phối hợp với các nhà nghiên cứu từ Mỹ và Thụy Sĩ đã tạo nên một bước đột phá: họ đã quay ngược trạng thái của máy tính lượng tử về quá khứ. Mặc dù chỉ quay ngược được một phần nhỏ của một giây, nhóm nghiên cứu đã đạt được trạng thái “du hành thời gian”. Họ còn có khả năng tính toán tỉ lệ một electron có thể quay ngược trạng thái về quá khứ trong không gian Vũ trụ.
Thông tin này được công bố trên tạp chí uy tín ScientificReports. Theo trưởng ban nghiên cứu Gordey Lesovik, “Đây chỉ là một trong nhiều báo cáo khoa học có khả năng vi phạm nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Nguyên lý này liên quan mật thiết tới hướng đi của mũi tên thời gian, chỉ hướng từ quá khứ tới tương lai.”
Nếu bạn chưa rõ về nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học, mời bạn đọc bài viết này để hiểu tại sao ta không thể đi ngược lại với mũi tên thời gian. Đọc xong, bạn sẽ thấy báo cáo khoa học này thực sự đáng ngạc nhiên: các nhà nghiên cứu đã (có thể) tìm cách vi phạm quy luật của Vũ trụ.
Qua ba thử nghiệm, họ mới tới được đích đến:
- Trên một nghiên cứu khoa học, họ đã mô tả một hệ thống có khả năng di chuyển liên tục.
- Hồi tháng Mười hai năm ngoái, họ đã đăng tải một nghiên cứu khoa học, bàn luận về việc vi phạm nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học, thông qua một thiết bị có tên “con quỷ của Maxwell”.
- Nghiên cứu mới nhất vẫn xoay quanh vấn đề cũ nhưng từ một góc nhìn khác: họ đã tạo ra trạng thái hạt đi ngược hướng mũi tên thời gian của nhiệt động lực học.
Giải thích về sự khác biệt giữa quá khứ và tương lai
Hầu hết các định luật vật lý không phân biệt rõ ràng giữa quá khứ và tương lai. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng một đẳng thức để mô tả quá trình va chạm của hai quả bóng. Nếu chúng ta quay lại khoảnh khắc va chạm và tua ngược lại, chúng ta vẫn có thể áp dụng đẳng thức đó để mô tả hiện tượng. Cả hai trường hợp đều trông rất thực tế, và trong mắt chúng ta, hai quả bóng dường như đi ngược lại với quy luật thời gian.
Tuy nhiên, nếu chúng ta quay lại cảnh phá bóng bi-a, khi mọi quả bi bay vào các hướng khác nhau, chúng ta dễ dàng nhận ra liệu video có bị quay ngược lại hay không. Chúng ta hiểu được điều đó nhờ sự hiểu biết về nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học.
Theo đó, một hệ thống cô lập sẽ luôn hướng tới trạng thái hỗn loạn. Đa số các quy luật vật lý không ngăn chặn các viên bi-a quay lại trạng thái ban đầu, cốc cà phê sữa tách ra thành cà phê và sữa, hoặc một ngọn núi lửa phun trào ngược vào trong. Nhưng ta không thể nhìn thấy những hiện tượng đó bởi ta cần một hệ thống cô lập, ổn định và không có sự can thiệp từ bên ngoài để những hiện tượng đó xảy ra.
Mặc dù ta vẫn chưa hiểu hoàn toàn nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học, các nhà khoa học đang cố gắng hết sức để hiểu được nguyên tắc cơ bản của nó.
Thí nghiệm mới nhất
Các nhà vật lý học lượng tử từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow đã quyết định kiểm tra xem thời gian có thể tự quay ngược chính nó hay không, ít nhất là với một hạt duy nhất và chỉ trong một khoảng thời gian rất ngắn – một phần nhỏ của một giây. Thay vì ném một số viên bi-a lên bàn, họ đã quan sát một hạt electron trong không gian trống.
Theo đồng tác giả nghiên cứu Andrey Lebedev từ Zurich, “Giả định ta có thể xác định vị trí của hạt electron khi ta bắt đầu quan sát. Các nguyên lý nhiệt động lực học ngăn chúng ta biết CHÍNH XÁC vị trí của hạt electron, nhưng ta có thể khoanh vùng tồn tại của nó.”
Họ đã giải thích các bước biến đổi của hạt electron bằng phương trình Schrödinger. Mặc dù phương trình này không nói rõ về trạng thái thời gian của hạt electron – liệu nó đang ở quá khứ hay tương lai – nhưng chúng ta có thể thấy khu vực không gian xung quanh electron mở rộng rất nhanh. Toàn bộ hệ thống cô lập dần trở nên hỗn loạn hơn. Ngày càng bất định hơn. Chúng ta có thể mô tả trạng thái của hạt electron lúc đó giống như việc phá bóng trên bàn bi-a.
Theo Velerii Vinokur, thành viên nhóm nghiên cứu khác, “Tuy nhiên, có thể đảo ngược phương trình Schrödinger“. “Theo toán học, thông qua một biến đổi riêng, phương trình sẽ mô tả trạng thái hạt electron tự định vị trong một không gian khác, trong cùng quá trình thời gian.”
Mặc dù hiện tượng này không tồn tại trong tự nhiên, nhưng trên lý thuyết, nó có thể hoàn toàn xảy ra.
Các nhà nghiên cứu đã tính toán tỉ lệ xảy ra hiện tượng “du hành thời gian” này, và kết quả sẽ khiến bạn ngạc nhiên:
Nếu quan sát 10 tỷ electron mỗi giây trong suốt tuổi thọ của Vũ trụ, khoảng 13,7 tỷ năm, ta chỉ nhìn thấy một hiện tượng electron “rơi vào trạng thái quá khứ” đúng một lần. Điều đáng nói là thậm chí hạt electron cũng không thể du hành quá 0.000000001 giây.
Các hiện tượng tự nhiên, dù nhỏ như café hòa với sữa hay lớn như núi lửa phun trào, đều bao gồm hàng tỷ electron và các hạt khác. Vì vậy, không có sự kiện nào có thể đi ngược lại với dòng chảy thời gian, chúng ta sẽ không bao giờ thấy người già trẻ lại hay mực viết tự rời khỏi tờ giấy.
Nhưng điều này không ngăn được các nhà khoa học thử tự quay ngược thời gian. Họ đã thực hiện thí nghiệm theo bốn bước, và thay vì quan sát một electron, họ đã quan sát một qubit trong máy tính lượng tử.
-
Bước 1: Mỗi qubit khởi đầu ở trạng thái cơ bản. Giai đoạn này tương đương với việc xác định vị trí tương đối của hạt electron hoặc một bàn bi-a chưa bị phá.
-
Bước 2: Trạng thái qubit mất đi, giống như cách hạt electron lan ra trong không gian hay bàn bi-a đã bị phá. Trạng thái qubit phức tạp hơn nhiều khi chuyển đổi giữa 0 và 1. Quá trình mất đi này được kích hoạt bằng một chương trình trên máy tính lượng tử, được kiểm soát kỹ càng.
-
Bước 3: Một chương trình đặc biệt được sử dụng để thay đổi trạng thái của máy tính lượng tử, để nó đi ngược lại với quá trình phát triển thông thường, từ hỗn loạn quay ngược lại trật tự.
-
Bước 4: Kích hoạt lại chương trình máy tính ở bước 2. Nếu bước 3 thành công, trạng thái của qubit sẽ ổn định lại, thay vì tiếp tục hỗn loạn hơn. Bước này tương đương với việc electron sẽ quay lại vị trí tương đối ban đầu, và các viên bi-a trên bàn sẽ trở về đúng vị trí của chúng trước khi bị phá. Đây là bước đi ngược lại với nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học.
Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng 85% các trường hợp thử nghiệm, máy tính lượng tử 2 qubit quay về trạng thái ban đầu. Tuy nhiên, khi số qubit tăng lên 3, lỗi xuất hiện thường xuyên hơn, tỷ lệ thành công chỉ còn 50%. Theo các tác giả nghiên cứu, lỗi xảy ra do máy tính lượng tử chưa hoàn thiện. Khi máy tính phức tạp và hoàn thiện hơn, tỷ lệ thành công sẽ cao hơn.
Đáng mừng là thuật toán quay ngược thời gian mới được tìm ra sẽ giúp máy tính lượng tử trở nên chính xác hơn trong tương lai. Theo nhà nghiên cứu Lebedev, “Chúng tôi có thể nâng cấp thuật toán của mình, sử dụng nó để thử nghiệm các chương trình riêng cho máy tính lượng tử, loại trừ các lỗi tiềm tàng.”
Theo Dink
