Simuleringer av tidsreiser sender kvantemetrologi tilbake til fremtiden – Physics World

Simuleringer av tidsreiser sender kvantemetrologi tilbake til fremtiden – Physics World

Tidsstempel: 12. januar 2024 11:00

<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? Tidsreiser bakover er fortsatt i science fiction-riket, men å manipulere kvanteforviklinger gjør det mulig for forskere å designe eksperimenter som simulerer det. (Med tillatelse: Shutterstock/FlashMovie)"> Kunstnerens bilde som viser romertall som du ville sett på en urskive som spiraler i det fjerne mot et stjerneklart bakteppe
Hvor er min DeLorean? Tidsreiser bakover er fortsatt i science fiction-riket, men å manipulere kvanteforviklinger gjør det mulig for forskere å designe eksperimenter som simulerer det. (Med tillatelse: Shutterstock/FlashMovie)

Har du noen gang ønsket at du kunne gå tilbake i tid og endre avgjørelsene dine? Hvis bare kunnskap fra i dag kunne reise tilbake i tid med oss, kunne vi endre handlingene våre til vår fordel. Foreløpig er slike tidsreiser fiksjonsstoff, men en trio av forskere har vist at ved å manipulere kvanteforviklinger kan man i det minste designe eksperimenter som simulerer det.

Skriver inn Physical Review Letters, David Arvidsson-Shukur fra Hitachi Cambridge Laboratory, Storbritannia; Aidan McConnell ved University of Cambridge, Storbritannia; og Nicole Yunger Halpern fra US National Institute of Standards and Technology (NIST) og University of Maryland foreslår et oppsett der en eksperimentalist sender informasjon tilbake i tid for å retroaktivt – faktisk – endre handlingene sine på en måte som gir optimale målinger. Interessant nok avslører trioen at slike simulerte tidsreiser i sammenfiltrede systemer kan legge til rette for fysiske fordeler som ville være umulig å oppnå i rent klassiske systemer.

Vitenskapen om kvantemålinger

Mens faktisk tidsreise bakover er hypotetisk, har kvantemekaniske versjoner blitt foreslått og simulert eksperimentelt. En avgjørende ingrediens i disse simuleringene er teleportering, der en tilstand fra eksperimentets mellomtrinn effektivt sendes tilbake til begynnelsen. For at dette skal være mulig, må statene være viklet inn. Med andre ord, de må dele en type kvanteforbindelse som oppstår mellom to (eller flere) partikler slik at tilstanden til den ene ikke kan defineres uavhengig av den eller de andre.

Siden disse simuleringene av tidsreiser er avhengige av kvantemekanikk, gjør de det mulig for forskere å stille meningsfulle spørsmål om naturen og eventuelle fordeler ved kvantesystemer. I det nye arbeidet gjør Arvidsson-Shukur, McConnell og Yunger Halpern nettopp det ved å undersøke hvilke fordeler simuleringer av tidsreiser bakover kan ha for kvantemetrologi – et fysikkfelt som bruker kvantemekanikk for å gjøre svært presise målinger.

Et typisk kvantemetrologisk problem omhandler å estimere en ukjent parameter for et system eller en prosess ved bruk av kvantemekaniske sonder. Når probene er klargjort og laget for å samhandle med systemet, vil måten probenes tilstandstransformasjoner på vil kode informasjon om den ukjente parameteren. Målet er å lære så mye informasjon som mulig per sonde.

Post-selektiv måling kan hjelpe til med dette. I denne prosessen foretar eksperimentalisten en måling og velger deretter, avhengig av utfallet, å inkludere eller ekskludere visse eksperimentelle resultater fra analysen. Dette konsentrerer informasjonen som er lært per sonde.

Tidligere Arvidsson-Shukur, Yunger Halpern og deres samarbeidspartnere demonstrert at i et kvantesystem kan valg av en optimal input-probe-tilstand gjøre det mulig for en eksperimentell å få mer informasjon per sonde enn det som er mulig klassisk. Imidlertid lærer eksperimentelten typisk hvilken inngangstilstand som ville vært optimal først etter at interaksjonen finner sted. I et scenario uten tidsreiser er dette ikke bra.

Fordel med simulert tidsreise

Hvis imidlertid eksperimentalisten teleporterer den optimale inngangstilstanden tilbake i tid via sammenfiltringsmanipulasjon, viser trioen at dette kan gi nye operasjonelle fordeler. I forslaget deres forbereder en eksperimentell et par maksimalt sammenfiltrede kvantebiter, eller qubits, kalt A og C, pluss en ekstra qubit som sonde. Målet er å måle styrken til en ukjent interaksjon ved hjelp av sonden. I utgangspunktet er eksperimentalisten uvitende om den optimale inngangstilstanden for A. I det første trinnet samhandler sonden og qubit A. Informasjonen om den ukjente parameteren for interaksjonen er kodet i sondens tilstand. På et mellomtrinn måler imidlertid eksperimentalisten tilstanden til qubit A. Denne målingen avslører informasjon om den hittil ukjente optimale tilstanden.

Deretter bruker eksperimentalisten denne informasjonen til å forberede en hjelpe-qubit D i denne optimale tilstanden. Deretter måler de fellestilstanden til qubitene C og D. Hvis denne fellestilstanden ikke samsvarer med den initiale fellestilstanden til A og C, blir målingen forkastet fra analysen. Dette plukker effektivt ut tilfeller der optimalt forberedt tilstand D teleporterer inn i den opprinnelige tilstanden til qubit A. Teleporteringen innebærer at når eksperimentalisten måler sonden, registrerer de optimal informasjonsgevinst selv om de i utgangspunktet ikke forberedte sonden i optimal tilstand .

I løpet av eksperimentet ville eksperimentet forkaste mange målinger som ikke samsvarte. Det kan virke dyrt. Imidlertid har målingene eksperimentelt holder - de der teleporteringen er vellykket - høy informasjonsgevinst per sonde. Samlet sett oppveier informasjonen fra noen få optimale prober tapene når de summeres over flere forsøk.

Hvorvidt tidsreiser er fysisk mulig eller ikke er fortsatt diskutert. Eksperimentalister kan imidlertid bruke kvantemekanikk og simulere tidsreiser i laboratoriet for å utføre mer presise målinger. Som Arvidsson-Shukur, McConnell og Yunger Halpern konkluderer i papiret sitt, "Selv om simuleringer av [tidsreiser] ikke lar deg gå tilbake og endre fortiden din, lar de deg skape en bedre morgendag ved å fikse gårsdagens problemer i dag."

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden