კვლევები

სკოტ ფიცჯერალდის მოთხრობა, ბენჯამინ ბატონის უცნაური ისტორია, და იმავე სახელწოდების ფილმი ბრეტ პიტის მონაწილეობით, მოგვითხრობს კაცზე, რომელიც უკუღმა ბერდება: ის მოხუცად იბადება, წლების სვლასთან ახალგაზრდავდება და ბოლოს ჩვილადქცეული კვდება.

ასეთი რამ ჩვეულებრივ ცხოვრებაში, შეამჩნევდით რომ, არასოდეს ხდება. ისმის შეკითხვა: რატომ?

ტექნოლოგიური მიღწევის შედეგად მეცნიერებმა ბენჯამინ ბატონის ისტორია ვირტუალურ სამყაროში გაიმეორეს. კვანტური ფიზიკოსების გუნდმა ამ წლის დასაწყისში შექმნეს კომპიუტერული ალგორითმი, რომელიც ახალგაზრდობის შადრევნის მსგავსად მოქმედებს.

IBM კვანტური კომპიუტერის გამოყენებით მათ ერთი ცალი სიმულირებული ელემენტარული ნაწილაკის მემილიონედი წამით გაახალგაზრდავება შეძლეს. მაგრამ ეს მათ ისეთ ძალისხმევად დაუჯდათ, რომ მიღწეული ფიზიკის კანონებზე გამარჯვებად რთულად თუ ჩაითვლება: შედეგის მისაღებად მეცნიერებმა იმგვარი რთული მანიპულაციები ჩაატარეს, როგორების ბუნებაში გამეორებაც ფაქტობრივად შეუძლებელია; ეს კი მხოლოდ გვიმყარებს იმის რწმენას, რომ დროის დინებაში უიმედოდ ვართ გამომწყვდეულები.

ადამიანებმა მეცნიერული ახსნის გარეშეც ვიცით, რომ ათქვეფილ კვერცხს ნაჭუჭში პირვანდელი სახით ვერ დავაბრუნებთ. ახლა კი ისიც აშკარავდება, რომ, სავარაუდოდ, თუნდაც ერთი ნაწილაკიც კი ვერასდროს დაბრუნდება დროში, თუ მას ზედმიწევნით შემუშავებულ, საგანგებო პირობებს არ შევუქმნით.

“ჩვენ ვაჩვენეთ, რომ თუნდაც ერთადერთი კვანტური ნაწილაკის დროში უკუსვლა იმდენად რთული ამოცანაა, რომ ბუნება, მხოლოდ საკუთარი ძალების ამარა, ამას ვერ შეძლებს”, – ამბობს ვალერი ვინოკური, არგონის ეროვნული ლაბორატორიის თანამშრომელი. ის ერთ-ერთია დროის მბრძანებლად ქცევის მოსურნე 5 მეცნიერიდან, რომელთაც გორდი ლესოვიკი ხელმძღვანელობთ, – “ორი ნაწილაკისგან შემდგარი სისტემა კიდევ უფრო შეუქცევადია დროში, რომ აღარაფერი ვთქვათ ომლეტისთვის ათქვეფილ კვერცხზე, რომელიც მილიარდობით ნაწილაკისგან შედგება”.

კვანტური ბილიარდის თამაში

თეორიაში, ფიზიკის ფუნდამენტური კანონები შექცევადია; არ აქვს მნიშვნელობა, დრო წინ მიდის თუ უკან, მათემატიკურად ყველაფერი კარგად მუშაობს. მაგრამ თუ დრო სივრცე-დროის ერთ-ერთი განზომილებაა, როგორც ამას აინშტაინი ამბობდა, ის ერთობ უცნაური, ერთი მიმართულებით მოქმედი განზომილება გამოდის. რეალურ ცხოვრებაში ჩვენ შეგვიძლია, მეტროს სადგურიდან ამოვიდეთ და ან მარჯვნივ გავუხვიოთ, ან მარცხნივ, მაგრამ იმის არჩევანი კი არ გვაქვს, დროში წინ წავიდეთ თუ უკან. ჩვენი გეზი ყოველვის მომავლისკენაა მიმართული.

ჩვენ, ფაქტობრივად, თერმოდინამიკის მეორე კანონის ტყვეობაში ვიმყოფებით, რომელიც ამბობს, რომ ჩვენი სამყაროს მსგავს ჩაკეტილ სისტემაში უწესრიგობა და კომპლექსურობა მხოლოდ იზრდება. შესაბამისად, ათქვეფილი კვერცხი ვერასდროს აღიდგენს პირვანდელ სახეს, ვინაიდან მისი უფრო გულმოდგინედ ათქვეფის გზები უსასრულოდ მეტია, ვიდრე -თავდაპირველი მდგომარეობის წარმატებით აღდგენისა.

მაგრამ დროის წინსვლა ნაწილაკების მხოლოდ დიდ რაოდენობაზე არაა დამოკიდებული. კვანტური თეორიის პარადოქსული კანონები, რომლებიც სუბატომურ სამყაროს მართავენ, ერთადერთი ნაწილაკის დროითი მიმართულების ცვლილებასაც კი ურთულეს ამოცანად აქცევენ.
განუზღვრელობის პრინციპი, კვანტური მექანიკის ეს ქვაკუთხედი, გვამცნობს, რომ დროის ნებისმიერ მომენტში სუბატომური ნაწილაკის მხოლოდ ადგილმდებარეობა ან მხოლოდ სიჩქარე შეიძლება იყოს ცნობილი, მაგრამ ორივე ერთად – არასოდეს. შედეგად, ისეთი ნაწილაკი, როგორიც ელექტრონია, შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ მათემატიკური მოდელით, სახელად ტალღური ფუნქცია, რომლის სიდიდეც ნაწილაკის ამა თუ იმ ადგილას ყოფნის ალბათობაზე მიუთითებს.

ტალღური ფუნქცია ვრცელდება მთლიან დროსა და სივრცეში. მისი ევოლუციის აღმწერი კანონი – შრედინგერის განტოლება – რომელიც ავსტრიელი ფიზიკოსის სახელს ატარებს, დროის წინსვლისა თუ უკუსვლის შემთხვევაში თანაბრად მუშაობს. მაგრამ ტალღური ფუნქციის დროითი უკუსვლა ურთულესი განსახორციელებელია.

დოქტორმა ვინოკურმა ეს პროცესი მიამსგავსა ბილიარდის გაგორებული ბურთის იმ წერტილში დაბრუნებას, საიდანაც მან მოძრაობა დაიწყო. თითქოს, ამაში რთული არაფერია: უბრალოდ, მიარტყით ბურთს ბილიარდის ჯოხი და ეგაა. მაგრამ თუ ის კვანტური ბურთია, საქმეში განუზღვრელობის პრინციპი ერთვება: თქვენ შეიძლება იცოდეთ, რა სიძლიერით უნდა დაარტყათ ბურთს, ან რომელი მიმართულებით უნდა გასტყორცნოთ ის, მაგრამ ორივე ერთად ვერასოდეს გეცოდინებათ. 

“განუზღვრელობის პრინციპის გამო კვანტური ბურთი არასოდეს დაბრუნდება იმ წერტილში, სადაც თავდაპირველად იმყოფებოდა”, – ამბობს დოქტორი ვინოკური.

მეტიც, კვანტურ მექანიკაში ბურთი ტალღად უნდა წარმოვიდგინოთ: მისი ადგილმდებარეობის განსაზღვრის მერე ის სივრცეში ისე ვრცელდება და ვითარდება, როგორც ტბაში ჩაგდებული ქვის გარშემო წარმოქმნილი წრიული ტალღები. შესაბამისად, მისი უკან დაბრუნება უფრო მეტ სირთულესთანაა დაკავშირებული, ვიდრე ბურთზე ჯოხის მირტყმა და სწორ ზედაპირზე უკან გამოსრიალებაა. ტალღის უკან დასაბრუნებლად საჭიროა, უკუსვლით ზუსტად განმეორდეს ტალღების მიერ გავლილი ფაზები, ამპლიტუდათა ცვლა და ასე შემდეგ, რაც იმდენად კომპლექსური პროვესია, რომ ბუნება დამოუკიდებლად ამას ვერ შეძლებს.

კი, არა და შესაძლოა

აქ კი საქმეში კვანტური კომპიუტერი ერთვება.

ჩვეულებრივი კომპიუტერისგან განსხვავებით, რომელიც ნულებისა და ერთიანების სერიებს ანუ ბიტებს გადაამუშავებს, კვანტური კომპიუტერი ე.წ. კუბიტებისგანაა შექმნილი, რომლებთაგანაც თითოეული ერთდროულად შეიძლება იყოს როგორც ნული, ისე – ერთი. კვანტურ კომპიუტერს ათასობით ან მილიონობით გამოთვლის ჩატარება თანადროულად შეუძლია.

ბევრი დიდი ტექნოლოგიური კომპანია, გუგლის, მაიკროსოფთის და IBM-ის ჩათვლით, ერთმანეთს მსგავს მოწყობილობათა შექმნაში ეჯირება. ასეთ ტექნოლოგიას იმ პრობლემების გადაწყვეტის პოტენციალი აქვს, რომლებსაც ჩვეულებრივი კომპიუტერები ვერ უმკალვდებიან; მაგალითად, კვანტურ კომპიუტერს დღეისათვის გაუტეხელი კრიპტოგრაფიული კოდების გატეხვა შეეძლება. ზოგიერთი მეცნიერი ფიქრობს, რომ ბუნება თავად არის კვანტური კომპიუტერი და რომ მსგავსი მოწყობილობების გამოყენების საუკეთესო გზა კვანტურ უცნაურობათა პარადოქსების სიმულირება და გამოკვლევა იქნება.

დოქტორი ლესოვიკისა და მისი კოლეგების მიზანიც სწორედ ეს იყო. მათ სურდათ, ტალღური ფუნქციის დროში უკუსვლას IBM კვანტური კომპიუტერის დახმარებით მიეღწიათ.

“ჯერ კიდევ გასარკვევია”, – წერს ფიზიკოსთა გუნდი თავის ნაშრომში, რომელიც ინტერნეტით ხელმისაწვდომი თებერვალში გახდა, – “დროის შეუქცევადობა ბუნების ფუნდამენტური კანონია თუ, პირიქით, მისი გადალახვა შესაძლებელია”.

IBM კომპიუტერი, რომელიც ამ მეცნიერებმა გამოიყენეს, პატარა ნაბიჯია იმ მიმართულებით, რასაც თეორეტიკოსები კვანტური უპირატესობის სახელით მოიხსენიებენ. მათ მიერ ექსპერიმეტისთვის გამოყენებული კომპიუტერი მხოლოდ ხუთ კუბიტიანი იყო (არსებობს კომპიუტერთა 16 და 20 კუბიტიანი ვერსიებიც), მაშინ, როცა გუგლის კვანტური კომპიუტერი 72 კუბიტიანია და ჯერჯერობით ამ ტექნოლოგიის ყველაზე სრულყოფილ მოდელს წარმოადგენს. მეტიც, მეცნიერებმა მხოლოდ ორი – და ზოგჯერ სამი – კუბიტი გამოიყენეს. 

დროის შექცევადობის ექსპერიმენტი ოთხ-საფეხურიანი პროცესი იყო. ჯერ კუბიტები მოათავსეს მარტივ, საწყის მდგომარეობაში, რომელიც ხელოვნური ატომის იმიტაციას ქმნიდა. მათ კუბიტები იმ გზით გადაჯაჭვეს, რომელსაც აინშტაინმა მოჩვენებითი დისტანციური ქმედება უწოდა; ეს იმ მდგომარეობას აღიშნავს, როცა ის, რაც ერთ კუბიტს შეემთხვევა გავლენას ახდენდა მეორის – და სამი კუბიტის გამოყენების შემთხვევსაში, მესამის – მდგომარეობაზეც.

შემდეგ გუნდმა მიკროტალღური რადიო პულსებით ზემოქმედება მოახდინეს კუბიტებზე, რამაც ისინი მარტივი მდგომარეობიდან მეტად კომპლექსურ მდგომარეობაში გადაიყვანა. წამის მემილიონედის მერე მეცნიერებმა ეს ფაზა – პროგრამის ევოლუცია – შეაჩერეს და კუბიტებზე კიდევ ერთი მიკროტალღური პულსით მოახდინეს მანიპულაცია, რათა იგივე ფაზები ამჯერად უკუღმა გაევლოთ და თავდაპირველ მდგომარეობაში დაბრუნებულიყვნენ.

“კვლავ ვიზუალური ანალოგია რომ დავიხმაროთ, ჩვენ ტბის ზედაპირზე წრიულად გავრცელებული ტალღები მივიყვანეთ იმ მდგომარეობაში, საიდანაც უკან, თავიანთ საწყის წერტილში დასაბრუნებლად იყვნენ მზად”, – გვიხსნის დოქტორი ვინოკური. ამას კიდევ ერთი წამის მემილიონედი დასჭირდა.

საბოლოოდ, გუნდმა ევოლუციის პროგრამა უკან გადაახვია და კუბიტები საწყის მდგომარეობაში, თავიანთ წარსულში დაბრუნდნენ. შეიძლება ითქვას, რომ ისინი წამის მემილიონედით გაახალგაზრდავდნენ.

ამ ალგორითმა თითქმის ყოველ ჯერზე იმუშავა. ორი კუბიტი ახალგაზრდულ მდგომარეობას 85% შემთხვევაში უბრუნდებოდა, ხოლო როდესაც ექსპერიმენტში სამი მათგანი იყო გამოყენებული, წარმატების კოეფიციენტი განახევრდა. კვლევის ავტორები ალგორითმის წარმატების მაჩვენებლის შემცირებას კვანტური კომპიუტერის დაუხვეწაობით და კუბიტებისთვის დამახასიათებელი იმ თვისებით ხსნიან, რომლის მიხედვითაც, მათი რაოდენობის ზრდა სინქრონულობის შემცირებას იწვევს.

კვანტური მათემატიკოსების ამბიციების სრულად განსახორციელებლად ასობით კუბიტის შემცველი მოწყობილობებია საჭირო. და როცა მსგავსი კომპიუტერები ხელმისაწვდომი გახდება, გუნდის მიერ შემუშავებული დროის სვლის შემქცევადი ალგორითმი მათი გამართული მუშაობის შესამოწმებლად შეიძლება გამოიყენონ.

მანამდე კი ყველას, ვისაც კვანტური კომპიუტერი აქვს, მეცნიერთა ალგორითმის გამოყენებით ბენჯამინ ბატონის ეფექტის მიღწევა შეუძლია. “ახლა ყველას შეუძლია კუბიტების გაახალგაზრდავება”, – ამბობს დოქტორი ვინოკური.

თუმცა ეს მხოლოდ კიბერსივრცის უთვალავ სამყაროებზე ვრცელდება. რაც შეეხება რეალურ ცხოვრებას, ერთი ნაწილაკის გაახალგაზრდავებაც კი ბუნებისთვის ზედმეტად რთული ამოცანაა. ამდენად, სიბერე გარდაუვალია და ჩვენც დროის მდინარებას კვლავაც ვერსად გავექცევით.

წყარო : on.ge