آریا بانو - زومیت / محققان آزمایشگاه لاس آلموس موفق‌به ساخت سیستم شبیه‌ساز کوانتومی شده‌اند که می‌تواند بازگشت به گذشته، اعمال تغییر در آن و آثاری را که این کار روی زمان حال می‌گذارد، نشان دهد.
مقاله‌ی پیش‌رو بخش‌هایی از فیلم‌های سینمایی Back to the Future و Avengers: Endgame را اسپویل می‌کند
سفر در زمان یکی از جذاب‌ترین مباحثی به‌حساب می‌آید که در علم وجود دارد و تاکنون تلاش‌های زیادی هم در این راستا انجام شده. سفر در زمان در دنیای سینما هم وجود دارد و شرکت‌های مختلف، آثار باکیفیتی در این حوزه ساخته‌‌اند تا براساس نظریه‌های علمی، اتفاقاتی را که ممکن است پس از سفر در زمان رخ دهند بررسی کنند.
فیلم‌های مختلف سفر در زمان، قوانین متفاوتی برای خود تعریف می‌کنند و در هر کدام از این فیلم‌ها وقتی شخصیت‌های اصلی شروع‌به دست‌و‌پنجه نرم کردن با زمان می‌کنند، مشکلات متعددی برای‌شان پیش می‌آید. اگر تاکنون با خود فکر کرده‌اید که کدام‌یک از این فیلم‌ها ممکن است بیشتر از بقیه با واقعیت جور دربیایند، احتمالا می‌توانیم پاسخی برای این سؤال پیدا کنیم. براساس آزمایشی که به‌‌تازگی با استفاده از یک دستگاه شبیه‌ساز سفر در زمان کوانتومی انجام شده، واقعیتی که در آن زندگی می‌کنیم کم و بیش «خودترمیم‌شونده» است. این یعنی تغییراتی که در گذشته اعمال می‌کنید، به‌شکلی محسوس آینده‌ای را که از آن می‌آیید متحول نمی‌کند؛ حداقل در قلمروی کوانتومی.
اگر علاقه‌‌مند به دنیای سینما باشید به‌احتمال زیاد مجموعه‌فیلم‌های بازگشت به آینده (Back to the Future) را دیده‌اید. قوانین تعریف‌شده در فیلم بازگشت به آینده اعلام می‌کنند هرچیزی که در گذشته تغییر می‌دهید، می‌تواند آثار بزرگی روی آینده بگذارد. دقیقا به‌همین دلیل است که مارتی مک‌فلای (شخصیت فیلم) با جلوگیری از ملاقات پدر و مادرش در گذشته، می‌تواند تقریبا خودش را از آینده پاک کند. به‌علاوه به‌همین دلیل است که بف تنن به نسخه‌ی جوان خودش در گذشته دفترچه‌ای حاوی نتایج مسابقات ورزشی برای شرط‌بندی روی آن‌ها را ارائه می‌دهد تا در آینده ثروتمند شود. 
نتایج یک مطالعه نشان می‌دهد دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم، کم و بیش «خودترمیم‌شونده» است
فیلم‌های سینمایی دیگر، قوانین نسبتا متفاوتی دارند و به‌گونه‌ای دیگر با اتفاقاتی که پیش می‌آید رفتار می‌کنند. برای مثال در فیلم محبوب انتقام‌جویان: پایان بازی (Avengers: Endgame)، ابرقهرمانان در زمان به گذشته سفر می‌کنند تا بتوانند نسخه‌های سنگ بی‌نهایت (Infinity Stone) را در دوره‌‌های زمانی مختلف بدزدند و درنهایت ازطریق سنگ بی‌نهایت دوستان‌شان را که محو شده‌اند به زندگی برگردانند (اگر مجموعه‌فیلم‌های دنیای سینمایی مارول را ندیده‌اید، آنچه گفتیم برای‌تان بسیار تعجب برانگیز به‌نظر می‌رسد!). این یعنی شخصیت‌‌های داستان می‌توانند بدون ازبین‌بردن آینده، به گذشته بروند و کارهایی را که در پی انجام دادن آن‌ها هستند، انجام دهند؛ زیرا دنیایی که شخصیت‌های داستان در آن زندگی می‌کنند قابلیت‌هایی دارد که براساس آن‌ها می‌تواند پارادوکس‌های یادشده را برطرف کند؛ بدین ترتیب هر دو نسخه از رویدادها اتفاق افتادند بدون اینکه آینده دچار مشکل شود.
از بین فیلم‌هایی که به آن‌ها اشاره کردیم، کدام‌یک قوانین منطقی‌تری دارند؟ درصورتی‌که روزی انسان بتواند به سفر در زمان دست یابد، چه اتفاقاتی خواهد افتاد؟ براساس مطالعه‌ای جدید، مکانیک کوانتومی از اتفاقاتی که در فیلم انتقام‌جویان رخ داد، حمایت می‌کند.
تمامی اتفاقات به‌نوعی در اثر پروانه‌ای خلاصه می‌شود؛ طبق قاعده‌ی اثر پروانه‌ای، اتفاقی کوچک در یک سیستم می‌تواند به عواقب بزرگ منتهی شود. نام این قاعده از نظریه‌ی آشوب می‌آید؛ این نظریه می‌گوید پروانه‌ای که در یک گوشه از جهان مشغول تکان دادن بال‌هایش است می‌تواند باعث ایجاد سلسله‌ای از اتفاقات شود که درنهایت طوفانی عظیم در نقطه‌ی دیگری از جهان ایجاد کند.

البته عبارت «اثر پروانه‌ای» در حوزه‌ی سفر در زمان احتمالا از داستان علمی‌تخیلی نوشته‌شده در سال 1952 توسط ری بردبری (نویسنده‌ی معروف آمریکایی) نشئت می‌گیرد. بردبری در سال 1952 داستانی تحت عنوان «صدای رعدو‌برق» نوشت که به‌شکلی محسوس مورداستقبال قرار گرفت. بردبری در داستان خود دنیایی را شبیه‌سازی می‌کند که در آن، سفر در زمان وارد حوزه‌ی توریسم شده و افرادی که علاقه داشته باشند می‌توانند در سفرهای توریستی در زمان جابه‌جا شوند. در این دنیا، صنعت توریسمِ سفر در زمان به‌شکلی محتاطانه کنترل می‌شود تا روی زمان حال اثر نگذارد. در یکی از سفرها به گذشته‌ی دور،‌ شخصیت داستان از مسیر اصلیِ تعیین‌شده دور می‌شود و به‌شکلی تصادفی، پروانه‌ای را می‌کشد. وقتی که این شخصیت به زمان خودش برمی‌گردد، اوضاع به‌‌شدت تغییر کرده است.
چگونه می‌توانیم چنین ایده‌هایی را که در فیلم‌ها و داستان‌ها مطرح می‌شوند موردآزمایش قرار دهیم؟ از آن‌‌جایی که نمی‌توانیم مستقیما وارد تاردیس (در سریال دکتر هو) شویم و با چشم خودمان ببینیم، محققان تلاش می‌کنند با طراحی سیستم‌های مشابه، تا حدی سؤالات را به پاسخ برسانند.
محققان آزمایشگاه ملی لاس آلموس به‌تازگی از رایانه‌‌ای کوانتومی به‌منظور تولید شبیه‌ساز سفر در زمان استفاده کرده‌اند و نتایجی که به دست آوردند تا حدی تعجب‌برانگیز بود. نیکولای سینیتسین، یکی از محققان مطالعه‌ی انجام‌شده، می‌گوید:
در رایانه‌ی کوانتومی بدون بروز هیچ‌گونه مشکلی می‌توان حرکت برعکس در زمان را شبیه‌سازی کرد. همچنین در رایانه‌های کوانتومی امکان اجرای یک فرایند به‌صورت برعکس تا رسیدن به گذشته وجود دارد. بنابراین به‌لطف سیستم‌هایی که دراختیار داریم می‌توانیم عملا ببینیم که اگر در دنیای پیچیده‌ی کوانتومی به گذشته سفر کنیم، آسیبی کوچک به دنیا بزنیم و سپس به حال برگردیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد. ما متوجه شدیم درصورت انجام این کارها، دنیای ما زنده می‌ماند. این یعنی در مکانیک کوانتوم، هیچ‌گونه اثر پروانه‌ای وجود ندارد.
یک محقق: در مکانیک کوانتوم،‌ اثر پروانه‌ای وجود ندارد
به‌لطف پردازنده‌ی کوانتومی IBM-Q و با استفاده از دروازه‌های کوانتومی و شبیه‌سازی دلیل بروز اتفاق و آثار ناشی از آن، اعضای تیم حاضر در آزمایشگاه ملی لاس آلموس موفق‌به ساخت نوعی سیستم پیچیده شدند. این افراد تمامی اقدامات یادشده را به دو نوع شامل حرکت به سمت جلو یا حرکت به سمت عقب در زمان انجام دادند. سیستم شبیه‌سازی‌شده توسط محققان آزمایشگاه لاس آلموس شامل دو آدم فرضی با نام‌های آلیس و باب بود که هر یک از آن‌ها دارای یک کیوبیت (Qubit) بودند. کیوبیت را می‌توان کوچک‌ترین واحد ذخیره‌ی اطلاعات و معیاری از مقدار اطلاعات کوانتومی به‌شمار آورد.
در سناریوی طرا‌حی‌شده توسط محققان، آلیس کیوبیت خود را در زمان حال، آماده می‌کند و سپس آن را در زمان به عقب می‌فرستد. در نقطه‌ای خاص در گذشته، باب در کیوبیت یادشده تغییری کوچک ایجاد می‌کند. سپس سیستم، زمان را به‌سمت جلو می‌آورد تا به حال برسد؛ در زمان حال، آلیس کیوبیت خود را بررسی می‌کند. 
اینکه در مرحله‌ی بعد چه اتفاقی رخ می‌دهد، به این موضوع بستگی دارد که کدام قانون را برای سفر در زمان پذیرفته باشید. اثر پروانه‌ای می‌گوید چون کیوبیت موردبحث به متغیرهای بسیار زیادی وابسته است، دخالت کوچک باب باید کل سیستم را در هنگامی که به زمان آینده (یا حال، برای آلیس) برمی‌گردد متحول کند. 

در نمودار بالا، تغییراتی که باب در گذشته‌ی دور در کیوبیت آلیس اعمال می‌کند روی توانایی آلیس برای خواندن آن در آینده، اثر نمی‌گذارد
بااین‌حال تیم سازنده‌ی شبیه‌ساز کوانتومی متوجه شدند که این اتفاق رخ نمی‌دهد. کیوبیت آلیس هنگامی که به زمان حال برگشت تقریبا هیچ ‌آسیبی به‌خود ندیده بود و آلیس توانست داده‌های روی آن را بازیابی کند. نکته‌ی جالبی وجود دارد که باید به آن دقت کنید. به‌نظر می‌رسد این حقیقت که کیوبیت آلیس به متغیرهای بسیار زیادی وابسته است باعث شده این کیوبیت آسیب خاصی به‌خود نبیند. اطلاعاتِ کیوبیتِ زمان حال، در هم‌بستگی‌های کوانتومیِ گذشته‌ی دور مخفی شده بودند. متغیرهای مختلف کیوبیت همچون تار عنکبوت به یکدیگر مرتبط هستند و همین موضوع باعث شده ارتباط بین آن‌‌ها به‌سادگی ازطریق اقدامات ساده‌ی باب در گذشته، مختل نشود. 
فیلم انتقام‌جویان: پایان بازی، تصویری درست‌تر از سفر در زمان را دربرابر چشم ما قرار می‌دهد
نکته‌ی عجیب این است که هرچه کیوبیت به گذشته‌ی دورتر سفر کند، کل سیستم پیچیده‌تر می‌شود و درنتیجه‌ی آن، آسیبی که به کیوبیت در اثر رخدادهای گذشته وارد می‌شود کاهش پیدا می‌کند. این اتفاق ممکن است در نگاه اول برای شما غیرعادی و به‌دور از منطق به‌نظر برسد؛ زیرا هرچه بازه‌ی زمانی افزایش پیدا کند، تعداد آیتم‌هایی که در اثر پروانه‌ای شرکت می‌کنند افزایش می‌یابد، بدین ترتیب منطق می‌گوید آثار ناشی از اثر پروانه‌ای باید در آینده محسوس‌تر باشند. بااین‌حال براساس دلایل مطرح‌شده ازسوی تیم تحقیقاتی آزمایشگاه لاس آلموس، رفتن به گذشته‌ی دورتر، شبکه‌ی قوی‌تری از هم‌بستگی کوانتومی ایجاد می‌کند. این شبکه‌ی قوی‌تر می‌تواند به‌شکلی بهتر از کیوبیت دربرابر آسیب دیدن محافظت کند.
نیکولای سینیتسین در بخشی از سخنان خود می‌گوید: «ما متوجه شدیم که مفهوم آشوب در فیزیک کلاسیک و مکانیک کوانتومی باید به‌شکلی متفاوت یاد گرفته و درک شود». اگر بخواهیم نتایج مطالعه‌ی سینیتسین و اعضای تیمش را به جمع‌بندی منطقی برسانیم تا برای مخاطب عادی بهتر قابل‌درک باشد، می‌توانیم بگوییم مجموعه‌فیلم‌های Back to the Future مبحث سفر در زمان را ازطریق فیزیک کلاسیک موردبررسی قرار می‌دهند، درحالی‌که Avengers: Endgame به استفاده از مدل کوانتومی روی می‌آورد. جالب است بدانید که فیلم انتقام‌جویان، فراهم‌سازی امکان سفر در زمان را با کنترل شخصیت‌های داستان روی قلمروی کوانتومی توجیه می‌کند. 
مجموعه‌مقالات سفر در زمان
_ گذری بر فیزیک کوانتوم: سفر در زمان و ورود به ابعاد بالاتر
_ مفهوم سفر در زمان از کجا نشئت می‌گیرد؟
_ آیا سفر در زمان از نظر علمی امکان‌پذیر است؟
_ سفر در زمان: مرز بین واقعیات علمی و رویاپردازی کجاست؟
_ سفر در زمان در شرایط خاصی امکان‌پذیر است
در نگاه اول، مطالعه‌ی موردبحث ممکن است همچون آزمایشی که با هدف سرگرم‌شدن انجام شده به‌نظر برسد، بااین‌حال اعضای تیم تحقیقاتی آزمایشگاه لاس آلموس می‌گویند سیستم شبیه‌سازی‌شده توسط آن‌ها می‌تواند در دنیای واقعی هم مزیت‌هایی به‌همراه بیاورد. امکان ندارد که پردازنده‌ای عادی بتواند از پس اجرای این شبیه‌سازی بربیاید. بنابراین می‌توان از سیستم شبیه‌سازی موردبحث به‌منظور فهمیدن این سؤال که «آیا رایانه‌های کوانتومی واقعا برپایه‌ی اصول کوانتوم کار می‌کنند؟» استفاده کرد.
تیم آزمایشگاه لاس آلموس می‌گوید می‌توان از سیستم شبیه‌سازیِ توسعه‌داده‌شده توسط آن‌‌ها به‌منظور ساخت پروتکل‌های امنیتی جدید برای اطلاعات در سیستم‌های کوانتومی استفاده کرد. اگر نسخه‌ای بدجنس از باب در دنیای واقعی بخواهد تغییرات زیادی در کیوبیت ایجاد کند، سیستم می‌تواند اطلاعات را وارد وضعیتی «درهم‌تنیده» کند تا امکان محافظت از آن‌ها وجود داشته باشد.