Avanti e indietro nel tempo

 

Il segreto matematico dello scorrere del tempo

di Natalie Wolchover/Quanta Magazine

In ogni caso, il singolare fenomeno potrebbe portare a nuovi tipi di tecnologia quantistica. "Si potrebbero concepire circuiti in cui l'informazione possa fluire in entrambi i sensi", ha dichiarato Giulia Rubino, ricercatrice dell'Università di Bristol.

Ogni cosa, in ogni momento, tutto in una volta
I fisici si sono resi conto per la prima volta un decennio fa che le strane regole della meccanica quantistica fanno crollare le nozioni di senso comune sul tempo.

Nella sua essenza, la bizzarria quantistica è la seguente: quando si cerca una particella, la si rileva sempre in una singola posizione puntiforme. Ma prima di essere misurata, una particella si comporta come un'onda: ha una "funzione d'onda" che si espande e si increspa su più percorsi. In questo stato indeterminato, una particella esiste in una miscela quantistica di posizioni possibili nota come sovrapposizione.

In un articolo pubblicato nel 2013, Giulio Chiribella, fisico ora all'Università di Hong Kong, e i suoi coautori hanno proposto un circuito che avrebbe messo gli eventi in una sovrapposizione di ordini temporali, facendo un passo avanti rispetto alla sovrapposizione di punti dello spazio. Quattro anni dopo, Rubino e i suoi colleghi hanno dimostrato sperimentalmente l'idea. Hanno inviato un fotone lungo una sovrapposizione di due percorsi: uno in cui sperimentava l'evento A e poi l'evento B, e un altro in cui sperimentava B e poi A. In un certo senso, ogni evento sembrava causare l'altro, un fenomeno che chiamato causalità indefinita.

Non contenti di essere semplicemente intervenuti sull'ordine degli eventi mentre il tempo avanzava, Chiribella e un collega, Zixuan Liu, hanno poi preso di mira la direzione di marcia, o freccia, del tempo stesso. Hanno cercato un apparato quantistico in cui il tempo entrasse in una sovrapposizione di flusso dal passato al futuro e viceversa: una freccia del tempo indefinita.

Per farlo, Chiribella e Liu si sono resi conto di aver bisogno di un sistema che potesse subire cambiamenti tra loro opposti, come un metronomo il cui braccio può oscillare a destra o a sinistra. Hanno immaginato di mettere un sistema di questo tipo in una sovrapposizione, come se un musicista facesse oscillare simultaneamente un metronomo quantistico verso destra e verso sinistra. Hanno descritto uno schema per realizzare un sistema del genere nel 2020.
I maghi dell'ottica hanno immediatamente iniziato a costruire in laboratorio le frecce del tempo. Lo scorso autunno, due gruppi hanno annunciato il loro successo.

Avanti e indietro nel tempo? Nel mondo dei quanti è possibile

di Matteo Serra

Un gioco quantistico
Chiribella e Liu hanno ideato un gioco basato sulla luce in cui può eccellere solo un abile giocatore quantistico. Esso consiste nel far passare i fotoni attraverso due cristalli, indicati con A e B. Attraversando un cristallo, la direzione di polarizzazione del fotone ruota di una quantità che dipende dalle impostazioni del cristallo. Attraversando il cristallo all’indietro, la polarizzazione viene ruotata in senso esattamente opposto.

Prima di ogni turno di gioco, un arbitro imposta segretamente i cristalli in uno dei due modi: il percorso in avanti attraverso A, poi indietro attraverso B, sposterà la funzione d'onda di un fotone rispetto al percorso inverso (indietro attraverso A, poi avanti attraverso B), oppure non lo farà. Il giocatore deve capire quale scelta ha fatto l'arbitro.

Dopo aver sistemato i cristalli e gli altri elementi ottici nel modo desiderato, il giocatore invia un fotone attraverso il labirinto, magari dividendolo in una sovrapposizione di due percorsi utilizzando uno specchio semiriflettente. Il fotone finisce in uno dei due rivelatori. Se il giocatore ha organizzato il suo labirinto in modo sufficientemente intelligente, lo scatto del rivelatore che ha ricevuto il fotone mostrerà la scelta dell'arbitro.

Quando il giocatore imposta il circuito in modo che il fotone si muova in una sola direzione attraverso ogni cristallo, anche se A e B sono in un ordine causale indefinito, lo scatto del rivelatore corrisponderà alle impostazioni del congegno segreto al massimo circa il 90 per cento delle volte. Solo quando il fotone sperimenta una sovrapposizione che lo porta avanti e indietro attraverso entrambi i dispositivi – una tattica denominata inversione temporale quantistica (quantum time flip) – il giocatore può teoricamente vincere ogni turno (si veda anche l'illustrazione del circuito di Quanta Magazine).

L'anno scorso, un gruppo di Hefei, in Cina, con la consulenza di Chiribella, e uno di Vienna, con la consulenza del fisico Časlav Brukner, hanno messo a punto circuiti per l'inversione temporale quantistica. Su un milione di iterazioni, il gruppo di Vienna ha indovinato il 99,45 per cento delle volte. Il gruppo di Chiribella ha vinto il 99,6 per cento delle volte. Entrambi i gruppi hanno infranto il limite teorico del 90 per cento, dimostrando che i loro fotoni hanno sperimentato una sovrapposizione di due trasformazioni opposte e quindi erano associati a una freccia del tempo indefinita.

Interpretare l'inversione temporale
Anche se i ricercatori hanno eseguito e dato un nome all'inversione temporale quantistica, non sono perfettamente d'accordo su quali parole descrivano meglio ciò che hanno realizzato.

Secondo Chiribella, gli esperimenti hanno simulato un'inversione della freccia del tempo. Per capovolgerla davvero sarebbe necessario disporre il tessuto dello spazio-tempo stesso in una sovrapposizione di due geometrie in cui il tempo punta in direzioni differenti. "Ovviamente, l'esperimento non sta attuando l'inversione della freccia del tempo", ha dichiarato.

Brukner, invece, ritiene che i circuiti facciano un modesto passo avanti rispetto alla simulazione. Fa notare che le proprietà misurabili dei fotoni cambiano esattamente come se passassero attraverso una vera e propria sovrapposizione di due geometrie spazio-temporali. E nel mondo quantistico non c'è realtà al di là di quello che può essere misurato. "Se si considera lo stato in sé, non c'è alcuna differenza tra la simulazione e la cosa reale", ha sottolineato.

Certo, ammette il ricercatore, il circuito è in grado di far cambiare il tempo solo ai fotoni che subiscono un cambiamento di polarizzazione; se lo spazio-tempo fosse davvero in sovrapposizione, le due direzioni temporali avrebbero effetto su tutto.

Ripensare il tempo

Una freccia (del tempo) nel cervello

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Circuiti a due frecce
A prescindere dalle loro inclinazioni filosofiche, i fisici sperano che la capacità di progettare circuiti quantistici che scorrono in due direzioni contemporaneamente possa consentire nuovi dispositivi per l'informatica quantistica, la comunicazione e la metrologia. "Questo permette di effettuare più che implementare le operazioni in un ordine o in un altro", ha spiegato Cyril Branciard, teorico dell'informazione quantistica all'Istituto Néel, in Francia.

Alcuni ricercatori ipotizzano che, evocando il viaggio nel tempo, l'inversione temporale quantistica possa consentire una futura funzione quantistica di undo [in informatica, l'annullamento dell'ultima operazione effettuata, NdT]. Altri prevedono che i circuiti che operano in due direzioni contemporaneamente possano permettere alle macchine quantistiche di funzionare in modo più efficiente. "Si potrebbero usare per giochi in cui si vuole ridurre la cosiddetta complessità di ricerca", ha spiegato Rubino, riferendosi al numero di passi necessari per svolgere un determinato compito.

Tali applicazioni pratiche sono tutt'altro che dietro l'angolo. Anche se i circuiti d'inversione temporale hanno superato un limite teorico di prestazioni nel gioco di indovinelli di Chiribella e Liu, si trattava di un compito molto artificioso, ideato solo per evidenziare il loro vantaggio rispetto ai circuiti unidirezionali.

Eppure, i fenomeni quantistici bizzarri e apparentemente di nicchia potrebbero rivelarsi utili. L'eminente fisico Anton Zeilinger credeva che l'entanglement quantistico – un legame tra particelle separate – non servisse a nulla. Oggi, l'entanglement unisce i nodi delle nascenti reti quantistiche e i qubit dei prototipi di computer quantistici, e il lavoro di Zeilinger sul fenomeno gli è valso una parte del premio Nobel per la fisica del 2022. Per quanto riguarda la natura variabile del tempo quantistico, Franke-Arnold ha dichiarato che "è ancora molto presto”.

 

Un team di fisici delle Università di Bristol, Vienna, delle Isole Baleari e dell’Institute for Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI-Vienna), ha mostrato come i sistemi quantistici possono evolversi simultaneamente lungo due frecce temporali opposte, sia in avanti che indietro nel tempo.

Lo studio, pubblicato sull’ultimo numero di Communications Physics, necessita di un ripensamento di come il flusso del tempo viene inteso e rappresentato in contesti in cui le leggi quantistiche giocano un ruolo cruciale.

Per secoli, filosofi e fisici hanno riflettuto sull’esistenza del tempo. Eppure, nel mondo classico, la nostra esperienza sembra spegnere ogni dubbio che il tempo esista e si muova in avanti. In natura, infatti, i processi tendono ad evolvere spontaneamente da stati con meno disordine a stati con più disordine, e questa propensione può essere usata per identificare la freccia del tempo. In fisica, questo è descritto in termini di “entropia“, che è la quantità fisica che definisce la quantità di disordine in un sistema.

La dott.ssa Giulia Rubino dei Quantum Engineering Technology Labs (QET labs) dell’Università di Bristol e autrice principale della pubblicazione, ha dichiarato:

“Se un fenomeno produce una grande quantità di entropia, osservarne l’inversione temporale è così improbabile da diventare sostanzialmente impossibile. Tuttavia, quando l’entropia prodotta è sufficientemente piccola, c’è una probabilità non trascurabile di vedere l’inversione temporale di un fenomeno che si verifica naturalmente.

“Possiamo prendere come esempio la sequenza di cose che facciamo nella nostra routine mattutina. Se ci mostrasse il nostro dentifricio che si sposta dallo spazzolino al suo tubetto, non avremmo dubbi che fosse una registrazione riavvolta della nostra giornata. Tuttavia, se schiacciassimo delicatamente il tubetto in modo che uscisse solo una piccola parte del dentifricio, non sarebbe così improbabile osservarlo rientrare nel tubetto, risucchiato dalla decompressione del tubetto”.

Gli autori dello studio, sotto la guida del professor Caslav Brukner dell’Università di Vienna e dell’IQOQI-Vienna, hanno applicato questa idea al regno quantistico, una delle cui peculiarità è il principio di sovrapposizione quantistica, secondo il quale se due stati di un sistema quantistico sono entrambi possibili, allora quel sistema può anche trovarsi in entrambi gli stati contemporaneamente.

“Estendendo questo principio alle frecce del tempo, risulta che i sistemi quantistici che si evolvono nell’una o nell’altra direzione temporale (il dentifricio che esce o torna nel tubo), possono anche trovarsi ad evolversi simultaneamente lungo entrambe le direzioni temporali”.

“Sebbene questa idea sembri piuttosto priva di senso se applicata alla nostra esperienza quotidiana, al suo livello più fondamentale, le leggi dell’universo si basano su principi quanto-meccanici. Ciò solleva la domanda sul perché non incontriamo mai queste sovrapposizioni di tempo che scorre in natura”, ha affermato la dottoressa Rubino.

Il dott. Gonzalo Manzano, dell’Università delle Isole Baleari, ha dichiarato: “Nel nostro lavoro, abbiamo quantificato l’entropia prodotta da un sistema che si evolve nella sovrapposizione quantistica di processi con frecce temporali opposte. Abbiamo scoperto che questo si traduce più spesso nella proiezione del sistema su una direzione temporale ben definita, corrispondente al processo più probabile dei due”.

“Eppure, quando sono coinvolte piccole quantità di entropia (per esempio, quando c’è così poco dentifricio versato che si potrebbe vederlo riassorbito nel tubo), allora si possono osservare fisicamente le conseguenze del sistema che si è evoluto lungo le direzioni temporali avanti e indietro allo stesso tempo.”

A parte la caratteristica fondamentale che il tempo stesso potrebbe non essere ben definito, il lavoro ha anche implicazioni pratiche nella termodinamica quantistica. Posizionare un sistema quantistico in una sovrapposizione di frecce del tempo alternativo potrebbe offrire vantaggi nelle prestazioni di macchine termiche e frigoriferi.

La Dott.ssa Rubino ha affermato: “Sebbene il tempo sia spesso trattato come un parametro in continuo aumento, il nostro studio mostra che le leggi che governano il suo flusso in contesti quantomeccanici sono molto più complesse. Ciò potrebbe suggerire che dobbiamo ripensare al modo in cui rappresentiamo questa quantità in tutti i quei contesti in cui le leggi quantistiche giocano un ruolo cruciale.”