Hoe kwantumfysici de tijd omdraaiden (en hoe ze dat niet deden)

Natuurkundigen hebben lichtdeeltjes overgehaald om tegelijkertijd tegengestelde transformaties te ondergaan, zoals een mens in een weerwolf verandert terwijl de weerwolf in een mens verandert. In zorgvuldig ontworpen circuits gedragen de fotonen zich alsof de tijd stroomt in een kwantumcombinatie van voorwaarts en achterwaarts.

"Voor de allereerste keer hebben we een soort tijdreismachine die in beide richtingen gaat", zei Sonja Franke-Arnold, een kwantumfysicus aan de Universiteit van Glasgow in Schotland die niet betrokken was bij het onderzoek.

Helaas voor sciencefictionfans hebben de apparaten niets gemeen met een DeLorean uit 1982. Tijdens de experimenten, die werden uitgevoerd door twee onafhankelijke teams in China en Oostenrijk, bleven de laboratoriumklokken gestaag vooruit tikken. Alleen de fotonen die door het circuit flitsten, ondervonden tijdelijke shenanigans. En zelfs voor de fotonen debatteren onderzoekers of het omdraaien van de pijl van de tijd echt is of gesimuleerd.

Hoe dan ook, het verwarrende fenomeen zou kunnen leiden tot nieuwe soorten kwantumtechnologie.

"Je zou circuits kunnen bedenken waarin je informatie in beide richtingen kan stromen", zegt Giulia Rubino, een onderzoeker aan de Universiteit van Bristol.

Alles Altijd Alles In Een keer

Natuurkundigen realiseerden zich tien jaar geleden voor het eerst dat de vreemde regels van de kwantummechanica de gangbare opvattingen over tijd omverwerpen.

De essentie van kwantumvreemdheid is dit: wanneer je naar een deeltje zoekt, zul je het altijd op een enkele, puntachtige locatie detecteren. Maar voordat het wordt gemeten, gedraagt ​​een deeltje zich meer als een golf; het heeft een "golffunctie" die zich verspreidt en rimpelt over meerdere routes. In deze onbepaalde toestand bestaat een deeltje in een kwantummix van mogelijke locaties die bekend staat als a superpositie.

In een krant gepubliceerd in 2013, Giulio Chiribella, een natuurkundige die nu aan de Universiteit van Hong Kong werkt, en co-auteurs stelden een circuit voor dat gebeurtenissen in een superpositie van tijdelijke ordeningen zou plaatsen, een stap verder gaand dan de superpositie van locaties in de ruimte. Vier jaar later, Rubino en haar collega's direct experimenteel aangetoond het idee. Ze stuurden een foton langs een superpositie van twee paden: een waarin het gebeurtenis A ervoer en vervolgens gebeurtenis B, en een andere waar het B en vervolgens A ervoer. In zekere zin leek elke gebeurtenis de andere te veroorzaken, een fenomeen dat ontstond. genaamd onbepaalde causaliteit.

Chiribella en een collega, Zixuan Liu, waren niet tevreden met alleen maar te knoeien met de volgorde van de gebeurtenissen terwijl de tijd voortschreed. Ze mikten vervolgens op de marsrichting, of pijl, van de tijd zelf. Ze zochten een kwantumapparaat waarin tijd een superpositie binnenging van stromen van het verleden naar de toekomst en vice versa - een onbepaalde pijl van tijd.

Om dit te doen, beseften Chiribella en Liu dat ze een systeem nodig hadden dat tegengestelde veranderingen kon ondergaan, zoals een metronoom waarvan de arm naar links of rechts kan zwaaien. Ze stelden zich voor dat ze zo'n systeem in een superpositie zouden plaatsen, vergelijkbaar met een muzikant die tegelijkertijd een kwantummetronoom naar rechts en naar links beweegt. Zij een schema beschreven voor het opzetten van een dergelijk systeem in 2020.

Optica-tovenaars begonnen onmiddellijk duellerende pijlen van de tijd te bouwen in het lab. Afgelopen herfst verklaarden twee teams succes.

Een spel met twee tijden

Chiribella en Liu hadden een spel bedacht waarin alleen een quantum two-timer kon uitblinken. Het spelen van het spel met licht omvat het afvuren van fotonen door twee kristallen gadgets, A en B. Voorwaarts gaan door een gadget roteert de polarisatie van een foton met een hoeveelheid die afhangt van de instellingen van het gadget. Achterwaarts door de gadget gaan, roteert de polarisatie precies in de tegenovergestelde richting.

Voor elke ronde van het spel plaatst een scheidsrechter de gadgets in het geheim op een van de volgende twee manieren: het pad vooruit door A, dan achteruit door B, zal ofwel de golffunctie van een foton verschuiven ten opzichte van het in de tijd omgekeerde pad (achteruit door A, dan vooruit door B), of het zal niet. De speler moet uitzoeken welke keuze de scheidsrechter heeft gemaakt. Nadat de speler de gadgets en andere optische elementen naar wens heeft gerangschikt, sturen ze een foton door het doolhof, waarbij ze het misschien splitsen in een superpositie van twee paden met behulp van een halfverzilverde spiegel. Het foton komt terecht bij een van de twee detectoren. Als de speler zijn doolhof op een voldoende slimme manier heeft opgezet, zal de klik van de detector met het foton de keuze van de scheidsrechter onthullen.

Wanneer de speler het circuit zo opzet dat het foton door elk gadget in slechts één richting beweegt, dan zal de klik van de detector, zelfs als A en B in een onbepaalde causale volgorde staan, in maximaal ongeveer 90% van de tijd overeenkomen met de instellingen van het geheime gadget. . Alleen wanneer het foton een superpositie ervaart die het door beide gadgets vooruit en achteruit brengt - een tactiek die de "kwantumtijdflip" wordt genoemd - kan de speler in theorie elke ronde winnen.

Vorig jaar een team in Hefei, China geadviseerd door Chiribella en een team in Wenen geadviseerd door de natuurkundige Časlav Brukner quantum time-flip-circuits opzetten. Meer dan 1 miljoen rondes, het team van Wenen 99.45% van de tijd juist geraden. Chiribella's groep won 99.6% van zijn rondes. Beide teams verbrijzelden de theoretische limiet van 90%, wat bewijst dat hun fotonen een superpositie van twee tegengestelde transformaties doormaakten en dus een oneindige pijl in de tijd.

Interpretatie van de Time Flip

Hoewel de onderzoekers de quantum time flip hebben uitgevoerd en benoemd, zijn ze het niet helemaal eens over welke woorden het beste weergeven wat ze hebben gedaan.

In de ogen van Chiribella simuleerden de experimenten het omdraaien van de pijl van de tijd. Om het om te draaien zou het weefsel van de ruimte-tijd zelf moeten worden gerangschikt in een superpositie van twee geometrieën waar de tijd in verschillende richtingen wijst. "Het is duidelijk dat het experiment niet de omkering van de pijl van de tijd implementeert", zei hij.

Brukner is ondertussen van mening dat de circuits een bescheiden stap verder gaan dan simulatie. Hij wijst erop dat de meetbare eigenschappen van de fotonen precies veranderen zoals ze zouden doen als ze door een echte superpositie van twee ruimte-tijdgeometrieën zouden gaan. En in de kwantumwereld is er geen realiteit buiten wat kan worden gemeten. "Vanuit de staat zelf is er geen verschil tussen de simulatie en het echte werk," zei hij.

Toegegeven, geeft hij toe, het circuit kan alleen fotonen in de tijd omdraaien die polarisatieveranderingen ondergaan; als ruimte-tijd echt in een superpositie zou zijn, zou duellerende tijdrichtingen alles beïnvloeden.

Circuits met twee pijlen

Wat hun filosofische neigingen ook mogen zijn, natuurkundigen hopen dat het vermogen om kwantumcircuits te ontwerpen die twee kanten op stromen, nieuwe apparaten voor kwantumcomputing mogelijk maakt. communicatie en metrologie.

"Hierdoor kun je meer dingen doen dan alleen de operaties in een of andere volgorde uitvoeren", zei Cyrillus Branciard, een kwantuminformatietheoreticus aan het Néel Institute in Frankrijk.

Sommige onderzoekers speculeren dat de tijdreissmaak van de kwantum-tijdflip een toekomstige kwantum "ongedaan maken" -functie mogelijk zou kunnen maken. Anderen verwachten dat circuits die in twee richtingen tegelijk werken, kwantummachines efficiënter kunnen laten werken. "Je zou dit kunnen gebruiken voor games waarbij je de zogenaamde query-complexiteit wilt verminderen", zei Rubino, verwijzend naar het aantal stappen dat nodig is om een ​​bepaalde taak uit te voeren.

Dergelijke praktische toepassingen zijn verre van zeker. Hoewel de time-flip-circuits een theoretische prestatielimiet doorbraken in het gokspel van Chiribella en Liu, was dat een zeer gekunstelde taak die alleen was bedacht om hun voordeel ten opzichte van eenrichtingscircuits te benadrukken.

Maar bizarre, schijnbaar niche-kwantumfenomenen hebben de gave om nuttig te zijn. De eminente natuurkundige Anton Zeilinger geloofde vroeger dat kwantumverstrengeling — een verbinding tussen gescheiden deeltjes — was nergens goed voor. Tegenwoordig verbindt verstrengeling knopen met elkaar opkomende kwantumnetwerken en qubits in prototypen van kwantumcomputers, en Zeilingers werk aan het fenomeen leverde hem een ​​deel van de 2022 Nobelprijs voor natuurkunde. Voor de omkeerbare aard van kwantumtijd zei Franke-Arnold: "het is nog heel vroeg."