Cỗ máy du hành thời gian của Doraemon liệu có phải là một cỗ máy tính lượng tử?
Theo thông tin mới nhất, các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow vừa bắt tay với đội ngũ tới từ Mỹ và Thụy Sĩ để làm nên đột phá: họ quay ngược lại trạng thái của máy tính lượng tử về quá khứ, dù chỉ quay được có một phần nhỏ của một giây nhưng có thể hiểu, nhóm nghiên cứu đã đạt được trạng thái "du hành thời gian". Họ còn tính toán được tỉ lệ một electron nằm trong không gian Vũ trụ có thể đi ngược lại về trạng thái quá khứ của nó.
Nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí uy tín ScientificReports.
"Đây mới chỉ là một trong một loạt các báo cáo khoa học có khả năng đi ngươc lại với nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Nguyên lý này có liên quan mật thiết tới hướng đi của mũi tên thời gian, chỉ có một chiều đi từ quá khứ tới tương lai", trưởng ban nghiên cứu Gordey Lesovik nói trong bài phỏng vấn.
Trong trường hợp bạn chưa rõ nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học là gì, mời bạn đọc bài viết này về lý do tại sao ta không thể đi ngược chiều mũi tên thời gian. Đọc xong, bạn sẽ thấy báo cáo khoa học mới đáng ngạc nhiên ra sao: các nhà nghiên cứu đã (có thể) tìm được cách ngược lại với quy luật Vũ trụ.
Qua ba thử nghiệm, họ mới tới được đích đến trên:
- Trong một nghiên cứu khoa học, họ mô tả một hệ thống có khả năng di chuyển liên tục.
- Tháng Mười hai năm ngoái, họ đăng tải nghiên cứu khoa học, bàn luật 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 ở một góc nhìn khác: họ tạo ta một trạng thái hạt đi ngược hướng mũi tên thời gian của nhiệt động lực học.
Giải thích tương lai khác biệt với quá khứ ra sao
Hầu hết định luật vật lý không phân biệt rõ ràng quá khứ và tương lai. Ví dụ, ta có thể sử dụng một đẳng thức mô tả quá trình va chạm của hai quả bóng. Nếu như ta quay lại khoảnh khắc va chạm, rồi tua ngược lại, ta vẫn có thể áp dụng đẳng thức cũ để mô tả hiện tượng. Cả hai trường hợp ngược và xuôi đều trông rất thật, và trong mắt ta, hai quả bóng dường như đi ngược lại với quy luật thời gian.
Tuy nhiên, nếu như một quay lại cảnh phá bóng bi-a, khi mọi quả bóng bay về các hướng khác nhau, ta sẽ dễ dàng nhận ra video có bị quay ngược lại hay không. Ta có thể nhận ra đoạn phim bị quay ngược chính là nhờ ta hiểu được bản chất nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học.
Một hệ thống biệt lập sẽ luôn luôn hướng tới trạng thái hỗn loạn.
Đa số các quy luật vật lý không ngăn những viên bi-a tự quay về trạng thái cũ, một cốc cafe sữa tự tách thành cafe và sữa, hay một quả núi lửa phun trào ngược vào trong. Nhưng ta không thể thấy những hiện tượng đó, bởi ta cần một hệ thống biệt lập, nằm trong trạng thái ổn định, không có sự can thiệp từ bên ngoài để hiện tượng xảy ra.
Nó sẽ đi ngược lại với nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Đúng là ta chưa hiểu hoàn toàn nguyên lý này, nhưng các nhà khoa học đang làm hết sức mình để hiểu được nguyên tắc cơ bản của nó.
Và đây là thí nghiệm mới nhất
Các nhà vật lý học lượng tử từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow quyết định kiểm tra liệu thời gian có thể tự quay ngược chính mình, ít nhất là với một hạt duy nhất và chỉ trong một thời gian rất ngắn – một phần nhỏ của một giây. Thay vì ném mấy viên bi-a lên bàn, họ quan sát một hạt electron nằm trong không gian trống.
"Giả định ta có thể xác định vị trí hạt electron khi ta bắt đầu quan sát nó. Các nguyên lý nhiệt động lực học ngăn ta biết CHÍNH XÁC vị trí của nó, nhưng ta có thể khoanh vùng tồn tại của hạt electron", đồng tác giả nghiên cứu tới từ Zurich, Andrey Lebedev cho hay.
Họ giải thích những bước biến chuyển của hạt electron được giải thích bằng phương trình Schrödinger. Mặc dù nó không nói rõ trạng thái thời gian của hạt electron – nó đang nằm ở quá khứ hay tương lai, có thể thấy khu vực không gian bao quanh electron lan ra rất nhanh. Toàn bộ hệ thống biệt lập dần trở nên hỗn loạn hơn. Càng ngày, vị trí hạt electron càng bất định. Có thể mô tả trạng thái của hạt electron lúc đó như hành động phá bóng trên bàn bi-a.
"Tuy nhiên, có thể đảo ngược phương trình Schrödinger", Velerii Vinokur, một nhà nghiên cứu khác bổ sung. "Theo toán học mà nói, bằng một cách biến chuyển riêng, phương trình sẽ mô tả trạng thái hạt electron tự định vị mình ở một khoảng không gian khác, trong cùng một dòng thời gian tịnh tiến".
Mặc dù hiện tượng này không xuất hiện ngoài tự nhiên nhưng trên lý thuyết, nó hoàn toàn có thể xảy ra.
Các nhà nghiên cứu tính toán tỉ lệ xảy ra hiện tượng "du hành thời gian" này, và kết quả sẽ làm bạn đau lòng xiết bao:
Tính trên tổng thời gian toàn bộ tuổi thọ của Vũ trụ – khoảng 13,7 tỷ năm, quan sát 10 tỷ electron đã được định vụ trong mỗi giây, ta sẽ chỉ nhìn thấy hiện tượng electron "rơi vào trạng thái quá khứ" đúng một lần. Và thậm chí, hạt electron cũng không du hành được quá 0.000000001 giây.
Các hiện tượng tự nhiên, dù nhỏ như cafe hòa với sữa hay lớn như núi lửa phun trào, cũng có sự góp mặt của hàng sa số electron và đủ thứ hạt khác nữa. Nên không một sự kiện bất kỳ nào có thể đi ngược lại với dòng chảy của thời gian, ta sẽ chẳng bao giờ thấy người già trẻ lại, hay mực viết tự rời khỏi tờ giấy thi.
Điều đó không ngăn được các nhà khoa học thử tự quay ngược thời gian
Họ thực hiện thí nghiệm theo 4 bước, và thay bằng một electron, họ quan sát một qubit trong máy tính lượng tử.
Bước 1 – Trật tự: Mỗi qubit đều khởi đầu ở trạng thái cơ bản (có mức năng lượng thấp nhất). Giai đoạn này tương đương với việc xác định được vị trí tương đối của hạt electron hay một bàn bi-a chưa bị phá.
Bước 2 – Thoái hóa: Trật tự 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 biến giữa 0 và 1. Vì toàn bộ thử nghiệm được thực hiện bằng máy tính lượng tử, quá trình thoái hóa được kích hoạt bằng một chương trình trên máy, được kiểm soát kỹ càng.
Bước 3 – Quay ngược thời gian: một chương trình đặc biệt biến chuyển 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 – Hồi phục: Kích hoạt lại chương trình máy tính ở bước hai. Nếu như 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 về lại vị trí tương đối cũ, và những viên bi-a trên bàn sẽ tìm về đúng nơi ở của mình 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 ra 85% các trường hợp thử nghiệm, máy tính lượng tử 2 qubit quay về lại trạng thái ban đầu. Khi tăng số qubit lên 3, lỗi bắt đầu xuất hiện thường xuyên hơn, tỷ lệ quay ngược trạng thái thành công chỉ là 50%. Theo các tác giả nghiên cứu, lỗi sinh ra do máy tính lượng tử chưa hoàn chỉnh. Khi cỗ máy phức tạp và hoàn thiện hơn, nhiều khả năng tỉ lệ thành công sẽ cao hơn nữa.
Đáng mừng thay, thuật toán quay ngược thời gian mới được tìm ra sẽ giúp cho máy tính lượng tử chính xác hơn trong tương lai. "Thuật toán của chúng tôi có thể được nâng cấp, sử dụng để thử nghiệm các chương trình viết riêng cho máy tính lượng tử, loại trừ được các lỗi tiềm tàng", nhà nghiên cứu Lebedev nói.
Theo thông tin mới nhất, các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow vừa bắt tay với đội ngũ tới từ Mỹ và Thụy Sĩ để làm nên đột phá: họ quay ngược lại trạng thái của máy tính lượng tử về quá khứ, dù chỉ quay được có một phần nhỏ của một giây nhưng có thể hiểu, nhóm nghiên cứu đã đạt được trạng thái "du hành thời gian". Họ còn tính toán được tỉ lệ một electron nằm trong không gian Vũ trụ có thể đi ngược lại về trạng thái quá khứ của nó.
Nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí uy tín ScientificReports.
"Đây mới chỉ là một trong một loạt các báo cáo khoa học có khả năng đi ngươc lại với nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Nguyên lý này có liên quan mật thiết tới hướng đi của mũi tên thời gian, chỉ có một chiều đi từ quá khứ tới tương lai", trưởng ban nghiên cứu Gordey Lesovik nói trong bài phỏng vấn.
Trong trường hợp bạn chưa rõ nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học là gì, mời bạn đọc bài viết này về lý do tại sao ta không thể đi ngược chiều mũi tên thời gian. Đọc xong, bạn sẽ thấy báo cáo khoa học mới đáng ngạc nhiên ra sao: các nhà nghiên cứu đã (có thể) tìm được cách ngược lại với quy luật Vũ trụ.
Qua ba thử nghiệm, họ mới tới được đích đến trên:
- Trong một nghiên cứu khoa học, họ mô tả một hệ thống có khả năng di chuyển liên tục.
- Tháng Mười hai năm ngoái, họ đăng tải nghiên cứu khoa học, bàn luật 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 ở một góc nhìn khác: họ tạo ta một trạng thái hạt đi ngược hướng mũi tên thời gian của nhiệt động lực học.
Giải thích tương lai khác biệt với quá khứ ra sao
Hầu hết định luật vật lý không phân biệt rõ ràng quá khứ và tương lai. Ví dụ, ta có thể sử dụng một đẳng thức mô tả quá trình va chạm của hai quả bóng. Nếu như ta quay lại khoảnh khắc va chạm, rồi tua ngược lại, ta vẫn có thể áp dụng đẳng thức cũ để mô tả hiện tượng. Cả hai trường hợp ngược và xuôi đều trông rất thật, và trong mắt ta, hai quả bóng dường như đi ngược lại với quy luật thời gian.
Tuy nhiên, nếu như một quay lại cảnh phá bóng bi-a, khi mọi quả bóng bay về các hướng khác nhau, ta sẽ dễ dàng nhận ra video có bị quay ngược lại hay không. Ta có thể nhận ra đoạn phim bị quay ngược chính là nhờ ta hiểu được bản chất nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học.
Một hệ thống biệt lập sẽ luôn luôn hướng tới trạng thái hỗn loạn.
Đa số các quy luật vật lý không ngăn những viên bi-a tự quay về trạng thái cũ, một cốc cafe sữa tự tách thành cafe và sữa, hay một quả núi lửa phun trào ngược vào trong. Nhưng ta không thể thấy những hiện tượng đó, bởi ta cần một hệ thống biệt lập, nằm trong trạng thái ổn định, không có sự can thiệp từ bên ngoài để hiện tượng xảy ra.
Nó sẽ đi ngược lại với nguyên lý thứ hai của nhiệt động lực học. Đúng là ta chưa hiểu hoàn toàn nguyên lý này, nhưng các nhà khoa học đang làm hết sức mình để hiểu được nguyên tắc cơ bản của nó.
Và đây là thí nghiệm mới nhất
Các nhà vật lý học lượng tử từ Viện Vật lý và Công nghệ Moscow quyết định kiểm tra liệu thời gian có thể tự quay ngược chính mình, ít nhất là với một hạt duy nhất và chỉ trong một thời gian rất ngắn – một phần nhỏ của một giây. Thay vì ném mấy viên bi-a lên bàn, họ quan sát một hạt electron nằm trong không gian trống.
"Giả định ta có thể xác định vị trí hạt electron khi ta bắt đầu quan sát nó. Các nguyên lý nhiệt động lực học ngăn ta biết CHÍNH XÁC vị trí của nó, nhưng ta có thể khoanh vùng tồn tại của hạt electron", đồng tác giả nghiên cứu tới từ Zurich, Andrey Lebedev cho hay.
Họ giải thích những bước biến chuyển của hạt electron được giải thích bằng phương trình Schrödinger. Mặc dù nó không nói rõ trạng thái thời gian của hạt electron – nó đang nằm ở quá khứ hay tương lai, có thể thấy khu vực không gian bao quanh electron lan ra rất nhanh. Toàn bộ hệ thống biệt lập dần trở nên hỗn loạn hơn. Càng ngày, vị trí hạt electron càng bất định. Có thể mô tả trạng thái của hạt electron lúc đó như hành động phá bóng trên bàn bi-a.
"Tuy nhiên, có thể đảo ngược phương trình Schrödinger", Velerii Vinokur, một nhà nghiên cứu khác bổ sung. "Theo toán học mà nói, bằng một cách biến chuyển riêng, phương trình sẽ mô tả trạng thái hạt electron tự định vị mình ở một khoảng không gian khác, trong cùng một dòng thời gian tịnh tiến".
Mặc dù hiện tượng này không xuất hiện ngoài tự nhiên nhưng trên lý thuyết, nó hoàn toàn có thể xảy ra.
Các nhà nghiên cứu tính toán tỉ lệ xảy ra hiện tượng "du hành thời gian" này, và kết quả sẽ làm bạn đau lòng xiết bao:
Tính trên tổng thời gian toàn bộ tuổi thọ của Vũ trụ – khoảng 13,7 tỷ năm, quan sát 10 tỷ electron đã được định vụ trong mỗi giây, ta sẽ chỉ nhìn thấy hiện tượng electron "rơi vào trạng thái quá khứ" đúng một lần. Và thậm chí, hạt electron cũng không du hành được quá 0.000000001 giây.
Các hiện tượng tự nhiên, dù nhỏ như cafe hòa với sữa hay lớn như núi lửa phun trào, cũng có sự góp mặt của hàng sa số electron và đủ thứ hạt khác nữa. Nên không một sự kiện bất kỳ nào có thể đi ngược lại với dòng chảy của thời gian, ta sẽ chẳng bao giờ thấy người già trẻ lại, hay mực viết tự rời khỏi tờ giấy thi.
Điều đó không ngăn được các nhà khoa học thử tự quay ngược thời gian
Họ thực hiện thí nghiệm theo 4 bước, và thay bằng một electron, họ quan sát một qubit trong máy tính lượng tử.
Bước 1 – Trật tự: Mỗi qubit đều khởi đầu ở trạng thái cơ bản (có mức năng lượng thấp nhất). Giai đoạn này tương đương với việc xác định được vị trí tương đối của hạt electron hay một bàn bi-a chưa bị phá.
Bước 2 – Thoái hóa: Trật tự 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 biến giữa 0 và 1. Vì toàn bộ thử nghiệm được thực hiện bằng máy tính lượng tử, quá trình thoái hóa được kích hoạt bằng một chương trình trên máy, được kiểm soát kỹ càng.
Bước 3 – Quay ngược thời gian: một chương trình đặc biệt biến chuyển 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 – Hồi phục: Kích hoạt lại chương trình máy tính ở bước hai. Nếu như 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 về lại vị trí tương đối cũ, và những viên bi-a trên bàn sẽ tìm về đúng nơi ở của mình 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 ra 85% các trường hợp thử nghiệm, máy tính lượng tử 2 qubit quay về lại trạng thái ban đầu. Khi tăng số qubit lên 3, lỗi bắt đầu xuất hiện thường xuyên hơn, tỷ lệ quay ngược trạng thái thành công chỉ là 50%. Theo các tác giả nghiên cứu, lỗi sinh ra do máy tính lượng tử chưa hoàn chỉnh. Khi cỗ máy phức tạp và hoàn thiện hơn, nhiều khả năng tỉ lệ thành công sẽ cao hơn nữa.
Đáng mừng thay, thuật toán quay ngược thời gian mới được tìm ra sẽ giúp cho máy tính lượng tử chính xác hơn trong tương lai. "Thuật toán của chúng tôi có thể được nâng cấp, sử dụng để thử nghiệm các chương trình viết riêng cho máy tính lượng tử, loại trừ được các lỗi tiềm tàng", nhà nghiên cứu Lebedev nói.
Tham khảo Phys.org, Scientific Reports