Simuleringer af tidsrejser sender kvantemetrologi tilbage til fremtiden – Physics World

Simuleringer af tidsrejser sender kvantemetrologi tilbage til fremtiden – Physics World

Tidsstempel: 12. januar 2024 kl. 11

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/simulations-of-time-travel-send-quantum-metrology-back-to-the-future-physics-world-2.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/01/simulations-of-time-travel-send-quantum-metrology-back-to-the-future-physics-world-2.jpg" data-caption="Hvor er min DeLorean? Baglæns tidsrejser er stadig i science fiction-området, men manipulation af kvanteforviklinger gør det muligt for videnskabsmænd at designe eksperimenter, der simulerer det. (Med høflighed: Shutterstock/FlashMovie)"> Kunstnerens billede, der viser romertal, som du ville se på en urskive, der spiraler i det fjerne mod en stjerneklar baggrund
Hvor er min DeLorean? Baglæns tidsrejser er stadig i science fiction-området, men manipulation af kvanteforviklinger gør det muligt for videnskabsmænd at designe eksperimenter, der simulerer det. (Med høflighed: Shutterstock/FlashMovie)

Har du nogensinde ønsket, at du kunne gå tilbage i tiden og ændre dine beslutninger? Hvis kun viden fra i dag kunne rejse tilbage i tiden med os, kunne vi ændre vores handlinger til vores fordel. For nu er sådanne tidsrejser fiktion, men en trio af forskere har vist, at ved at manipulere kvanteforviklinger kan man i det mindste designe eksperimenter, der simulerer det.

Skrivning i Physical Review Letters, David Arvidsson-Shukur fra Hitachi Cambridge Laboratory, UK; Aidan McConnell fra University of Cambridge, UK; og Nicole Yunger Halpern fra US National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland foreslår et set-up, hvor en eksperimentalist sender information tilbage i tiden for med tilbagevirkende kraft – i realiteten – at ændre deres handlinger på en måde, der producerer optimale målinger. Spændende afslører trioen, at sådanne simulerede tidsrejser i sammenfiltrede systemer kan lette fysiske fordele, som ville være umulige at opnå i rent klassiske systemer.

Videnskaben om kvantemålinger

Mens faktisk tilbagelæns tidsrejse er hypotetisk, er kvantemekaniske versioner blevet foreslået og simuleret eksperimentelt. En afgørende ingrediens i disse simuleringer er teleportering, hvor en tilstand fra eksperimentets mellemtrin effektivt sendes tilbage til begyndelsen. For at dette er muligt, skal staterne være viklet ind. Med andre ord skal de dele en type kvanteforbindelse, der opstår mellem to (eller flere) partikler, således at tilstanden af ​​den ene ikke kan defineres uafhængigt af den eller de andre.

Da disse simuleringer af tidsrejser er afhængige af kvantemekanik, gør de det muligt for forskere at stille meningsfulde spørgsmål om karakteren og eventuelle fordele ved kvantesystemer. I det nye arbejde gør Arvidsson-Shukur, McConnell og Yunger Halpern netop det ved at undersøge, hvilke fordele simuleringer af tilbagelæns tidsrejser kan have for kvantemetrologi – et fysikområde, der bruger kvantemekanik til at foretage meget præcise målinger.

Et typisk kvantemetrologisk problem omhandler estimering af en ukendt parameter for et system eller proces ved hjælp af kvantemekaniske sonder. Når proberne er forberedt og lavet til at interagere med systemet, vil den måde, probernes tilstandstransformationer på, kode information om den ukendte parameter. Målet er at lære så meget information som muligt pr. sonde.

Post-selektiv måling kan hjælpe med dette. I denne proces foretager forsøgslederen en måling og vælger derefter, afhængigt af resultatet, at inkludere eller udelukke bestemte forsøgsresultater fra analysen. Dette koncentrerer den lærte information pr. sonde.

Tidligere Arvidsson-Shukur, Yunger Halpern og deres samarbejdspartnere demonstreret at i et kvantesystem kan valg af en optimal input-probe-tilstand gøre det muligt for en eksperimentel at få mere information pr. probe, end det er muligt klassisk. Typisk lærer eksperimenteren dog, hvilken inputtilstand, der ville have været optimal, først efter interaktionen opstår. I et scenarie uden tidsrejse er dette ikke godt.

Fordel ved simuleret tidsrejse

Hvis eksperimenteren imidlertid teleporterer den optimale inputtilstand tilbage i tiden via entanglement-manipulation, viser trioen, at dette kunne give nye operationelle fordele. I deres forslag forbereder en eksperimentel et par maksimalt sammenfiltrede kvantebits eller qubits, kaldet A og C, plus en ekstra qubit som sonde. Målet er at måle styrken af ​​en ukendt interaktion ved hjælp af sonden. I første omgang er eksperimenteren ikke klar over den optimale inputtilstand for A. Ved det første trin interagerer sonden og qubit A. Informationen om den ukendte parameter for interaktionen er kodet i sondens tilstand. På et mellemtrin måler eksperimenteren imidlertid tilstanden af ​​qubit A. Denne måling afslører information om den endnu ukendte optimale tilstand.

Dernæst bruger eksperimenteren denne information til at forberede en hjælpequbit D i denne optimale tilstand. Derefter måler de den fælles tilstand af qubits C og D. Hvis denne fælles tilstand ikke matcher den indledende fælles tilstand af A og C, kasseres målingen fra analysen. Dette udvælger effektivt tilfælde, hvor optimalt forberedt tilstand D teleporterer ind i den oprindelige tilstand af qubit A. Teleporteringen indebærer, at når eksperimentisten måler sonden, registrerer de optimal informationsforøgelse, selvom de ikke oprindeligt forberedte sonden i den optimale tilstand .

Under eksperimentet ville forsøgslederen kassere mange ikke-matchende målinger. Det kan virke dyrt. De målinger, som forsøgslederen opbevarer - dem, hvor teleporteringen er vellykket - har dog høj informationsgevinst pr. sonde. Samlet set opvejer informationen opnået fra nogle få optimale prober tabene, når de summeres over flere forsøg.

Hvorvidt tidsrejse er fysisk mulig eller ej, diskuteres stadig. Eksperimentalister kan dog bruge kvantemekanik og simulere tidsrejser i laboratoriet for at udføre mere præcise målinger. Som Arvidsson-Shukur, McConnell og Yunger Halpern konkluderer i deres papir, "Mens simuleringer af [tidsrejser] ikke tillader dig at gå tilbage og ændre din fortid, giver de dig mulighed for at skabe en bedre i morgen ved at løse gårsdagens problemer i dag."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden