Abenteuer-Universum

In der Studie, deren Ergebnisse sie kürzlich in Optica, einer wissenschaftlichen Fachzeitschrift mit Peer-Review, veröffentlicht haben, erläutern die Forschenden, dass sie den Quantenzustand von Photonen sowohl in bereits vergangene Zustände zurücksetzen als auch in zukünftige Zustände versetzen konnten, während die dazwischenliegenden Zustände übersprungen wurden.

Zusammenfassung

In der Quantenmechanik ist die Zeitentwicklung aufgrund ihrer Unitarität von Natur aus umkehrbar, vorausgesetzt, man hat die Kontrolle über das betreffende System. Bemerkenswerterweise wurden in jüngster Zeit mehrere Protokolle zur Umkehrung unbekannter Unitarien in Szenarien demonstriert, in denen sogar die Wechselwirkungen mit dem Zielsystem unbekannt sind. Diese Protokolle sind durch ihren probabilistischen Charakter begrenzt, was die grundsätzliche Frage aufwirft, ob eine Zeitumkehr deterministisch durchgeführt werden kann. Hier zeigen wir, dass die Quantenphysik dies tatsächlich ermöglicht, indem wir die nichtkommutierende Natur der Quantenoperatoren ausnutzen und ein rekursives Protokoll für zweistufige Quantensysteme mit einer beliebig hohen Erfolgswahrscheinlichkeit demonstrieren. Unter Verwendung einer photonischen Plattform erreichen wir eine durchschnittliche Rückspulgenauigkeit von über 95 %. Unser Protokoll, das keine Kenntnis des zurückzuspulenden Quantenprozesses erfordert, ist in seiner Laufzeit optimal und bringt die Quantenrückspulung in einen Bereich von praktischer Relevanz.

1. EINLEITUNG

In der makroskopischen Welt gibt es eine scheinbare Unidirektionalität von Prozessen in der Zeit, die im Gegensatz zur zeitumkehrsymmetrischen Natur der zugrunde liegenden physikalischen Gesetze steht. Auf diese Spannung wurde erstmals von Eddington hingewiesen, der den Begriff "Zeitpfeil" prägte, um diese Asymmetrie zu beschreiben [1]. In der klassischen Physik entsteht ein Zeitpfeil durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, der zu Prozessen führt, die nicht rückgängig gemacht werden können [2]. Aufgrund der statistischen Natur des Gesetzes und des Determinismus der klassischen Physik ist die Irreversibilität nicht grundlegend. So ist für die klassische Wellenmechanik bekannt, dass die zeitliche Entwicklung eines Systems ohne Kenntnis der Dynamik durch eine Technik namens Phasenkonjugation umgekehrt werden kann [3,4]. Im mikroskopischen Quantenbereich wird die Fähigkeit zur Phasenkonjugation jedoch durch das fundamentale Quantenrauschen [5] eingeschränkt, was auf die nicht-unitäre Natur des Prozesses zurückzuführen ist. Daher blieb die Frage offen, ob die Dynamik von Quantensystemen auf universelle Weise umgekehrt werden kann oder nicht.

In jüngster Zeit haben sich mehrere Arbeiten mit dieser Frage befasst, in denen probabilistische Protokolle für das "Zurückspulen" von Quantensystemen vorgestellt [6,7] und in einer Laborumgebung demonstriert wurden [8,9]. Diese Protokolle funktionieren unabhängig vom freien Hamiltonian, der die zeitliche Entwicklung des betreffenden Systems steuert, und von der Wechselwirkung des Systems mit dem Versuchsgerät. Ein wesentlicher Nachteil der Protokolle in [7] ist die geringe Erfolgswahrscheinlichkeit, die typischerweise in der Größenordnung von 10-3

. Das Schema in [6] hingegen ermöglicht eine Form der Fehlerkorrektur, bei der das Protokoll wiederholt werden kann, wenn es fehlschlägt. Es ist jedoch nicht bekannt, ob diese Feed-Forward-Korrekturen die Erfolgswahrscheinlichkeit beliebig nahe an eins heranbringen können. Außerdem kann das Protokoll ein Zielsystem nicht in "Echtzeit" zurückspulen, sondern benötigt drei Zeiteinheiten für jede zurückgespulte Einheit.

Das auf Teleportation basierende Protokoll in [10,11] sowie traditionellere Methoden zum Zurückspulen eines Quantensystems mit einem unbekannten freien Hamiltonian, wie z. B. die in der kernmagnetischen Resonanz verwendeten Refokussierungstechniken [12], erfordern die Fähigkeit, kontrollierte Operationen zu implementieren, die speziell auf das Zielquantensystem zugeschnitten sind, und sind daher nicht universell. Die Arbeit von [13] kombiniert sowohl die Quantentheorie als auch die allgemeine Relativitätstheorie, um einen "Zeitübersetzer" zu entwickeln, der in der Lage ist, Quantensysteme zurück- oder vorzuspulen. Diese Methode kann zwar jedes beliebige Quantensystem zeitlich übersetzen, hat aber zwei Nachteile: (1) sie funktioniert nur annähernd und unter einer Einschränkung des freien Hamiltonianers des Ziels; (2) wenn wir eine angemessene Präzision verlangen, wird die Erfolgswahrscheinlichkeit des Prozesses astronomisch klein.

In dieser Arbeit demonstrieren wir ein neuartiges universelles Zeitumkehrprotokoll (Abb. 1), für das die Erfolgswahrscheinlichkeit beliebig hoch angesetzt werden kann, so dass es im Grunde genommen deterministisch ist. Im Kern basiert das Protokoll auf der Nicht-Kommutativität von Quantenoperatoren, einem Kernkonzept der Quantenmechanik. Diese konzeptionelle Einfachheit, die sich direkt in eine unkomplizierte Umsetzung im Labor auf der Grundlage des kürzlich entwickelten Quantenschalters [14,15] umsetzen lässt, ermöglicht es uns, die Einschränkungen früherer Vorschläge zu überwinden. Der Quantenschalter ist ein Prozess, der in seiner einfachsten Form zwei Einheiten in eine kontrollierte Superposition der beiden Gatter umwandelt, die in unterschiedlicher Reihenfolge angewendet werden: (𝑈,𝑉)→𝑈𝑉⊗|0⟩⟨0|𝐶+𝑉𝑈⊗|1⟩⟨1|𝐶
.

Der Zeitsprung auf der Quantenebene ist ein Durchbruch in der Forschung und könnte auf der technologischen Ebene zum Beispiel Einfluss auf die Arbeit mit Quantencomputern haben. So wäre beispielsweise denkbar, unerwünschte Prozesse in einem Quantencomputer wieder rückgängig zu machen, um auf diese Weise Fehler zu korrigieren.

Frank hat geschrieben: ↑

5. Apr 2023, 11:04

Und wie macht man das?