Simulaties van tijdreizen sturen de kwantummetrologie terug naar de toekomst – Physics World

Simulaties van tijdreizen sturen de kwantummetrologie terug naar de toekomst – Physics World

Tijdstempel: 12 januari 2024 11:00 uur

<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="Waar is mijn DeLorean? Achterwaartse tijdreizen behoort nog steeds tot het domein van sciencefiction, maar het manipuleren van kwantumverstrengeling stelt wetenschappers in staat experimenten te ontwerpen die deze simuleren. (Met dank aan: Shutterstock/FlashMovie)”> Artistieke afbeelding met Romeinse cijfers zoals je die op een wijzerplaat in de verte ziet draaien tegen een achtergrond met sterren
Waar is mijn DeLorean? Achterwaartse tijdreizen behoort nog steeds tot het domein van sciencefiction, maar het manipuleren van kwantumverstrengeling stelt wetenschappers in staat experimenten te ontwerpen die deze simuleren. (Met dank aan: Shutterstock/FlashMovie)

Heb je ooit gewenst dat je terug in de tijd kon gaan en je beslissingen kon veranderen? Als de kennis van vandaag maar met ons mee terug in de tijd zou kunnen reizen, zouden we onze acties in ons voordeel kunnen veranderen. Voorlopig is dergelijk tijdreizen fictie, maar een drietal onderzoekers heeft aangetoond dat je door kwantumverstrengeling te manipuleren op zijn minst experimenten kunt ontwerpen die deze simuleren.

Schrijven in Physical Review Letters, David Arvidsson-Shukuro van het Hitachi Cambridge Laboratory, VK; Aidan McConnell van de Universiteit van Cambridge, VK; En Nicole Yunger Halpern van het Amerikaanse National Institute of Standards and Technology (NIST) en de Universiteit van Maryland stellen een opzet voor waarin een experimentator informatie terug in de tijd stuurt om met terugwerkende kracht – in feite – zijn acties te veranderen op een manier die optimale metingen oplevert. Op intrigerende wijze onthult het trio dat een dergelijke gesimuleerde tijdreizen in verstrengelde systemen fysieke voordelen kan opleveren die onmogelijk te bereiken zijn in puur klassieke systemen.

De wetenschap van kwantummetingen

Hoewel feitelijk tijdreizen in de achterwaartse richting hypothetisch is, zijn er kwantummechanische versies voorgesteld experimenteel gesimuleerd. Een cruciaal ingrediënt van deze simulaties is teleportatie, waarbij een toestand uit de tussenstap van het experiment effectief wordt teruggestuurd naar het begin. Om dit mogelijk te maken moeten de staten met elkaar verstrengeld zijn. Met andere woorden, ze moeten een soort kwantumverbondenheid delen die ontstaat tussen twee (of meer) deeltjes, zodat de toestand van de ene niet onafhankelijk van de andere(n) kan worden gedefinieerd.

Omdat deze simulaties van tijdreizen afhankelijk zijn van de kwantummechanica, stellen ze onderzoekers in staat betekenisvolle vragen te stellen over de aard en eventuele voordelen van kwantumsystemen. In het nieuwe werk doen Arvidsson-Shukur, McConnell en Yunger Halpern precies dat door te onderzoeken welke voordelen simulaties van achterwaartse tijdreizen kunnen hebben voor kwantum metrologie – een gebied van de natuurkunde dat de kwantummechanica gebruikt om zeer nauwkeurige metingen uit te voeren.

Een typisch kwantummetrologieprobleem heeft betrekking op het schatten van een onbekende parameter van een systeem of proces met behulp van kwantummechanische sondes. Zodra de probes zijn voorbereid en gemaakt om met het systeem te communiceren, zal de manier waarop de statustransformaties van de probes informatie over de onbekende parameter coderen. Het doel is om per sonde zoveel mogelijk informatie te leren.

Postselectieve meting kan hierbij helpen. In dit proces voert de experimentator een meting uit en kiest hij er vervolgens, afhankelijk van de uitkomst, voor om bepaalde experimentele resultaten wel of niet in de analyse op te nemen. Dit concentreert de informatie die per sonde wordt geleerd.

Eerder Arvidsson-Shukur, Yunger Halpern en hun medewerkers gedemonstreerd dat in een kwantumsysteem het kiezen van een optimale invoersondestatus een experimentator in staat kan stellen meer informatie per sonde te verkrijgen dan klassiek mogelijk is. Normaal gesproken leert de experimentator echter pas welke invoerstatus optimaal zou zijn geweest nadat de interactie heeft plaatsgevonden. In een scenario zonder tijdreizen is dit niet goed.

Voordeel van gesimuleerde tijdreizen

Als de experimentator echter de optimale invoertoestand terug in de tijd teleporteert via verstrengelingsmanipulatie, laat het trio zien dat dit nieuwe operationele voordelen zou kunnen opleveren. In hun voorstel bereidt een experimentator een paar maximaal verstrengelde kwantumbits, of qubits, voor, genaamd A en C, plus een extra qubit als probe. Het doel is om de sterkte van een onbekende interactie te meten met behulp van de sonde. Aanvankelijk is de experimentator zich niet bewust van de optimale invoerstatus voor A. Bij de eerste stap werken de probe en qubit A samen. De informatie over de onbekende parameter van de interactie wordt gecodeerd in de status van de probe. In een tussenstap meet de experimentator echter de toestand van qubit A. Deze meting onthult informatie over de nog onbekende optimale toestand.

Vervolgens gebruikt de experimentator deze informatie om een ​​hulpqubit D in deze optimale toestand voor te bereiden. Vervolgens meten ze de gezamenlijke toestand van de qubits C en D. Als deze gezamenlijke toestand niet overeenkomt met de initiële gezamenlijke toestand van A en C, wordt de meting uit de analyse verwijderd. Dit pikt effectief gevallen op waarin optimaal voorbereide toestand D teleporteert naar de oorspronkelijke staat van qubit A. De teleportatie houdt in dat wanneer de experimentator de sonde meet, hij optimale informatiewinst registreert, ook al hebben ze de sonde aanvankelijk niet in de optimale staat voorbereid. .

Tijdens het experiment negeerde de experimentator veel niet-overeenkomende metingen. Dat lijkt misschien kostbaar. De metingen die de experimentator uitvoert – die waarbij de teleportatie succesvol is – hebben echter een hoge informatiewinst per sonde. Over het geheel genomen weegt de informatie die uit een paar optimale probes wordt verkregen op tegen de verliezen als deze worden opgeteld over meerdere onderzoeken.

Of tijdreizen fysiek mogelijk is of niet, wordt nog steeds besproken. Experimentalisten kunnen echter kwantummechanica gebruiken en tijdreizen in het laboratorium simuleren om nauwkeurigere metingen uit te voeren. Zoals Arvidsson-Shukur, McConnell en Yunger Halpern in hun paper concluderen: “Hoewel [tijdreis]simulaties je niet toestaan ​​terug te gaan en je verleden te veranderen, stellen ze je wel in staat een betere toekomst te creëren door de problemen van gisteren vandaag op te lossen.”

Tijdstempel:

Meer van Natuurkunde wereld