Una freccia (del tempo) nel cervello
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.”
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