Simulationen von Zeitreisen schicken die Quantenmetrologie zurück in die Zukunft – Physics World

Simulationen von Zeitreisen schicken die Quantenmetrologie zurück in die Zukunft – Physics World

Zeitstempel: 12. Januar 2024, 11:00 Uhr

<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="Wo ist mein DeLorean? Zeitreisen in die Vergangenheit gehören immer noch zur Science-Fiction-Welt, aber die Manipulation der Quantenverschränkung ermöglicht es Wissenschaftlern, Experimente zu entwerfen, die sie simulieren. (Mit freundlicher Genehmigung von Shutterstock/FlashMovie)“> Das Bild des Künstlers zeigt römische Ziffern, wie man sie auf einem Zifferblatt sehen würde, das sich vor einem Sternenhintergrund spiralförmig in die Ferne verschiebt
Wo ist mein DeLorean? Zeitreisen in die Vergangenheit gehören immer noch zur Science-Fiction-Welt, aber die Manipulation der Quantenverschränkung ermöglicht es Wissenschaftlern, Experimente zu entwerfen, die sie simulieren. (Mit freundlicher Genehmigung: Shutterstock/FlashMovie)

Haben Sie sich jemals gewünscht, Sie könnten in die Vergangenheit reisen und Ihre Entscheidungen ändern? Wenn nur das Wissen von heute mit uns in die Vergangenheit reisen könnte, könnten wir unser Handeln zu unserem Vorteil ändern. Momentan sind solche Zeitreisen noch reine Fiktion, aber ein Forschertrio hat gezeigt, dass man durch die Manipulation der Quantenverschränkung zumindest Experimente entwerfen kann, die sie simulieren.

Schreiben in Physical Review Letters, David Arvidsson-Shukur des Hitachi Cambridge Laboratory, Großbritannien; Aidan McConnell der University of Cambridge, Großbritannien; Und Nicole Younger Halpern vom US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Maryland schlagen einen Aufbau vor, bei dem ein Experimentator Informationen in die Vergangenheit sendet, um rückwirkend – praktisch – seine Handlungen so zu ändern, dass optimale Messungen erzielt werden. Interessanterweise enthüllt das Trio, dass solche simulierten Zeitreisen in verschränkten Systemen physikalische Vorteile ermöglichen können, die in rein klassischen Systemen nicht zu erreichen wären.

Die Wissenschaft der Quantenmessungen

Während tatsächliche Zeitreisen in die Vergangenheit hypothetisch sind, wurden quantenmechanische Versionen vorgeschlagen und experimentell simuliert. Ein entscheidender Bestandteil dieser Simulationen ist die Teleportation, bei der ein Zustand aus dem Zwischenschritt des Experiments effektiv an den Anfang zurückgeschickt wird. Damit dies möglich ist, müssen die Staaten miteinander verflochten sein. Mit anderen Worten: Sie müssen eine Art Quantenverbund aufweisen, der zwischen zwei (oder mehr) Teilchen entsteht, so dass der Zustand des einen nicht unabhängig von dem/den anderen definiert werden kann.

Da diese Simulationen von Zeitreisen auf der Quantenmechanik basieren, ermöglichen sie Forschern, sinnvolle Fragen über die Natur und gegebenenfalls die Vorteile von Quantensystemen zu stellen. In der neuen Arbeit tun Arvidsson-Shukur, McConnell und Yunger Halpern genau das, indem sie untersuchen, welche Vorteile Simulationen rückwärts gerichteter Zeitreisen haben können Quantenmetrologie – ein Bereich der Physik, der die Quantenmechanik nutzt, um hochpräzise Messungen durchzuführen.

Ein typisches Problem der Quantenmetrologie besteht darin, mithilfe quantenmechanischer Sonden einen unbekannten Parameter eines Systems oder Prozesses abzuschätzen. Sobald die Sonden vorbereitet und für die Interaktion mit dem System vorbereitet sind, kodiert die Art und Weise, wie sich der Zustand der Sonden ändert, Informationen über den unbekannten Parameter. Ziel ist es, pro Sonde möglichst viele Informationen zu erfahren.

Eine nachträgliche Messung kann dabei helfen. In diesem Prozess führt der Experimentator eine Messung durch und entscheidet dann je nach Ergebnis, bestimmte experimentelle Ergebnisse in die Analyse einzubeziehen oder auszuschließen. Dadurch werden die pro Sonde erlernten Informationen konzentriert.

Zuvor Arvidsson-Shukur, Yunger Halpern und ihre Mitarbeiter Synergie dass in einem Quantensystem die Wahl eines optimalen Eingangssondenzustands es einem Experimentator ermöglichen kann, mehr Informationen pro Sonde zu gewinnen, als dies klassisch möglich wäre. Typischerweise erfährt der Experimentator jedoch erst, welcher Eingabezustand optimal gewesen wäre, nachdem die Interaktion stattgefunden hat. In einem Szenario ohne Zeitreisen ist das nicht gut.

Vorteil einer simulierten Zeitreise

Wenn der Experimentator jedoch den optimalen Eingabezustand durch Verschränkungsmanipulation in die Vergangenheit teleportiert, zeigen die drei, dass dies zu neuartigen betrieblichen Vorteilen führen könnte. In ihrem Vorschlag bereitet ein Experimentator ein Paar maximal verschränkter Quantenbits oder Qubits namens A und C sowie ein zusätzliches Qubit als Sonde vor. Ziel ist es, mithilfe der Sonde die Stärke einer unbekannten Wechselwirkung zu messen. Zunächst ist dem Experimentator der optimale Eingabezustand für A nicht bekannt. Im ersten Schritt interagieren die Sonde und das Qubit A. Die Informationen über den unbekannten Parameter der Interaktion sind im Zustand der Sonde kodiert. In einem Zwischenschritt misst der Experimentator jedoch den Zustand von Qubit A. Diese Messung gibt Aufschluss über den noch unbekannten optimalen Zustand.

Als nächstes verwendet der Experimentator diese Informationen, um ein Hilfs-Qubit D in diesem optimalen Zustand vorzubereiten. Anschließend messen sie den gemeinsamen Zustand der Qubits C und D. Wenn dieser gemeinsame Zustand nicht mit dem anfänglichen gemeinsamen Zustand von A und C übereinstimmt, wird die Messung aus der Analyse verworfen. Dadurch werden effektiv Fälle herausgegriffen, in denen sich der optimal vorbereitete Zustand D in den ursprünglichen Zustand von Qubit A teleportiert. Die Teleportation impliziert, dass der Experimentator beim Vermessen der Sonde einen optimalen Informationsgewinn aufzeichnet, obwohl er die Sonde zunächst nicht im optimalen Zustand vorbereitet hat .

Während des Experiments verwarf der Experimentator viele nicht übereinstimmende Messungen. Das mag kostspielig erscheinen. Allerdings haben die Messungen, die der Experimentator durchführt – diejenigen, bei denen die Teleportation erfolgreich ist – einen hohen Informationsgewinn pro Sonde. Insgesamt überwiegen die aus einigen optimalen Sonden gewonnenen Informationen die Verluste, wenn sie über mehrere Versuche summiert werden.

Ob Zeitreisen physikalisch möglich sind oder nicht, wird immer noch diskutiert. Allerdings können Experimentatoren die Quantenmechanik nutzen und Zeitreisen im Labor simulieren, um präzisere Messungen durchzuführen. Wie Arvidsson-Shukur, McConnell und Yunger Halpern in ihrer Arbeit schlussfolgern: „Mit [Zeitreise-]Simulationen können Sie zwar nicht zurückgehen und Ihre Vergangenheit ändern, aber sie ermöglichen es Ihnen, ein besseres Morgen zu schaffen, indem Sie die Probleme von gestern heute lösen.“

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