Forscher der Universität Cambridge haben die Quantenverschränkung genutzt, um ein Szenario zu simulieren, das einer Zeitreise in die Vergangenheit ähnelt. Dadurch können frühere Maßnahmen rückwirkend geändert werden, was möglicherweise zu besseren gegenwärtigen Ergebnissen führt.
Physiker haben gezeigt, dass die Simulation von Modellen hypothetischer Zeitreisen experimentelle Probleme lösen kann, die mit der Standardphysik scheinbar unmöglich zu lösen sind.
Wenn Spieler, Investoren und Quantenexperimentatoren den Pfeil der Zeit biegen könnten, wäre ihr Vorteil deutlich größer und würde zu deutlich besseren Ergebnissen führen.
„Wir schlagen keine Zeitreisemaschine vor, sondern einen tiefen Einblick in die Grundlagen der Quantenmechanik.“ — David Arvidsson-Shukur
Forscher der Universität Cambridge haben gezeigt, dass sie durch Manipulation der Verschränkung – ein Merkmal der Quantentheorie, das dazu führt, dass Teilchen intrinsisch verknüpft werden – simulieren können, was passieren könnte, wenn man in der Zeit rückwärts reisen könnte. Damit Spieler, Investoren und Quantenexperimentatoren in manchen Fällen rückwirkend ihre Handlungen in der Vergangenheit ändern und ihre Ergebnisse in der Gegenwart verbessern können.
Simulation und Zeitschleifen
Ob Teilchen in der Zeit rückwärts reisen können, ist unter Physikern ein umstrittenes Thema, auch wenn Wissenschaftler bereits zuvor Modelle simuliert haben, wie sich solche Raumzeitschleifen verhalten könnten, wenn sie existieren würden. Durch die Verknüpfung ihrer neuen Theorie mit der Quantenmetrologie, die die Quantentheorie zur Durchführung hochempfindlicher Messungen nutzt, hat das Cambridge-Team gezeigt, dass Verschränkung Probleme lösen kann, die sonst unmöglich erscheinen würden. Die Studie wurde am 12. Oktober in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
„Stellen Sie sich vor, Sie möchten jemandem ein Geschenk schicken: Sie müssen es am ersten Tag verschicken, um sicherzustellen, dass es am dritten Tag ankommt“, sagte Hauptautor David Arvidsson-Shukur vom Hitachi Cambridge Laboratory. „Allerdings erhält man die Wunschliste dieser Person erst am zweiten Tag. In diesem Szenario, in dem die Chronologie berücksichtigt wird, ist es für Sie unmöglich, im Voraus zu wissen, was die Person als Geschenk haben möchte, und sicherzustellen, dass Sie das richtige Geschenk verschicken.
„Stellen Sie sich nun vor, Sie könnten das, was Sie am ersten Tag senden, mit den Informationen aus der Wunschliste ändern, die Sie am zweiten Tag erhalten haben. Unsere Simulation nutzt Quantenverschränkungsmanipulation, um zu zeigen, wie Sie Ihre vorherigen Aktionen rückwirkend ändern können, um sicherzustellen, dass das Endergebnis das ist, was Sie wollen.“
Quantenverschränkung verstehen
Die Simulation basiert auf der Quantenverschränkung, die aus starken Korrelationen besteht, die Quantenteilchen teilen können, klassische Teilchen – also solche, die der alltäglichen Physik unterliegen – nicht.
Die Besonderheit der Quantenphysik besteht darin, dass zwei Teilchen, wenn sie nahe genug beieinander sind, um miteinander zu interagieren, auch dann verbunden bleiben können, wenn sie getrennt sind. Dies ist die Grundlage von Quanten-Computing – die Nutzung verbundener Teilchen zur Durchführung von Berechnungen, die für klassische Computer zu komplex sind.
„In unserem Vorschlag verschränkt ein Experimentator zwei Teilchen“, sagte Co-Autorin Nicole Yunger Halpern, Forscherin am National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Maryland. „Das erste Teilchen wird dann zur Verwendung in einem Experiment geschickt. Nachdem er neue Informationen gewonnen hat, manipuliert der Experimentator das zweite Teilchen, um den früheren Zustand des ersten Teilchens effektiv zu verändern und so das Ergebnis des Experiments zu verändern.“
„Der Effekt ist bemerkenswert, aber er tritt nur einmal von vier auf!“ sagte Arvidsson-Shukur. „Mit anderen Worten: Die Wahrscheinlichkeit, dass die Simulation fehlschlägt, liegt bei 75 %. Aber die gute Nachricht ist, dass Sie wissen, ob Sie versagt haben. Wenn wir bei unserer Geschenk-Analogie bleiben, wird das Geschenk in einem von vier Fällen das gewünschte sein (z. B. eine Hose), ein anderes Mal ist es eine Hose, aber in der falschen Größe oder in der falschen Farbe. oder es wird eine Jacke sein.“
Praktische Anwendungen und Einschränkungen
Um ihrem Modell Relevanz für Technologien zu verleihen, verknüpften die Theoretiker es mit der Quantenmetrologie. In einem gängigen Quantenmessexperiment werden Photonen – kleine Lichtteilchen – auf eine zu untersuchende Probe gestrahlt und dann mit einer speziellen Kamera registriert. Damit dieses Experiment effizient ist, müssen die Photonen auf eine bestimmte Weise vorbereitet werden, bevor sie die Probe erreichen. Die Forscher haben gezeigt, dass sie selbst dann, wenn sie erst lernen, wie sie die Photonen am besten vorbereiten, nachdem die Photonen die Probe erreicht haben, Simulationen von Zeitreisen nutzen können, um die ursprünglichen Photonen rückwirkend zu verändern.
Um der hohen Wahrscheinlichkeit eines Scheiterns entgegenzuwirken, schlagen die Theoretiker vor, eine große Anzahl verschränkter Photonen auszusenden, wohlwissend, dass einige letztendlich die richtigen, aktualisierten Informationen enthalten werden. Dann würden sie einen Filter verwenden, um sicherzustellen, dass die richtigen Photonen zur Kamera gelangen, während der Filter den Rest der „schlechten“ Photonen zurückweist.
„Bedenken Sie unsere frühere Analogie zu Geschenken“, sagte Co-Autor Aidan McConnell, der diese Forschung während seines Masterstudiums am Cavendish Laboratory in Cambridge durchführte und jetzt Doktorand an der ETH Zürich ist. „Angenommen, der Versand von Geschenken ist kostengünstig und wir können am ersten Tag zahlreiche Pakete verschicken. Am zweiten Tag wissen wir, welches Geschenk wir hätten schicken sollen. Wenn die Pakete am dritten Tag eintreffen, ist jedes vierte Geschenk richtig, und wir wählen diese aus, indem wir dem Empfänger sagen, welche Lieferungen er wegwerfen soll.“
„Dass wir einen Filter verwenden müssen, damit unser Experiment funktioniert, ist eigentlich ziemlich beruhigend“, sagte Arvidsson-Shukur. „Die Welt wäre sehr seltsam, wenn unsere Zeitreisesimulation jedes Mal funktionieren würde. Die Relativitätstheorie und alle Theorien, auf denen wir unser Verständnis unseres Universums aufbauen, wären vom Fenster verschwunden.
„Wir schlagen keine Zeitreisemaschine vor, sondern vielmehr einen tiefen Einblick in die Grundlagen der Quantenmechanik. Diese Simulationen ermöglichen es Ihnen nicht, zurückzugehen und Ihre Vergangenheit zu ändern, aber sie ermöglichen es Ihnen, ein besseres Morgen zu schaffen, indem Sie die Probleme von gestern heute lösen.“
Referenz: „Nonclassical Advantage in Metrology Established via Quantum Simulations of Hypothetical Closed Timelike Curves“ von David R. M. Arvidsson-Shukur, Aidan G. McConnell und Nicole Yunger Halpern, 12. Oktober 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.150202
Diese Arbeit wurde von der Sweden-America Foundation, der Lars Hierta Memorial Foundation, dem Girton College und dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), Teil von UK Research and Innovation (UKRI), unterstützt.