Symulacje podróży w czasie odsyłają metrologię kwantową do przyszłości – Świata Fizyki

Symulacje podróży w czasie odsyłają metrologię kwantową do przyszłości – Świata Fizyki

Znacznik czasu: 12 stycznia 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="Gdzie jest mój DeLorean? Podróże w czasie wstecz wciąż należą do sfery science fiction, ale manipulowanie splątaniem kwantowym pozwala naukowcom projektować eksperymenty, które je symulują. (Dzięki uprzejmości: Shutterstock/FlashMovie)”> Obraz artysty przedstawiający cyfry rzymskie takie, jakie można zobaczyć na tarczy zegara spiralnie oddalającej się w dal na gwiaździstym tle
Gdzie jest mój DeLorean? Podróże w czasie wstecz wciąż należą do sfery science fiction, ale manipulowanie splątaniem kwantowym pozwala naukowcom projektować eksperymenty, które je symulują. (Dzięki uprzejmości: Shutterstock/FlashMovie)

Czy kiedykolwiek chciałeś cofnąć się w czasie i zmienić swoje decyzje? Gdyby tylko dzisiejsza wiedza mogła cofnąć się wraz z nami w czasie, moglibyśmy zmienić nasze działania na naszą korzyść. Na razie takie podróże w czasie to fikcja, ale trójka badaczy wykazała, że ​​manipulując splątaniem kwantowym, można przynajmniej zaprojektować eksperymenty, które je symulują.

Pisanie w Physical Review Letters, Davida Arvidssona-Shukura z laboratorium Hitachi Cambridge w Wielkiej Brytanii; Aidana McConnella z Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii; I Nicole Yunger Halpern Amerykańskiego Narodowego Instytutu Standardów i Technologii (NIST) oraz Uniwersytetu Maryland proponują układ, w którym eksperymentator wysyła informacje w przeszłość, aby z mocą wsteczną – w efekcie – zmienić swoje działania w sposób zapewniający optymalne pomiary. Co ciekawe, trio ujawniło, że takie symulowane podróże w czasie w splątanych układach mogą zapewnić korzyści fizyczne, których nie dałoby się osiągnąć w układach czysto klasycznych.

Nauka o pomiarach kwantowych

Chociaż rzeczywiste podróże w czasie wstecz są hipotetyczne, zaproponowano wersje oparte na mechanice kwantowej symulowane eksperymentalnie. Kluczowym elementem tych symulacji jest teleportacja, podczas której stan z pośredniego etapu eksperymentu jest skutecznie odsyłany na początek. Aby było to możliwe, państwa muszą być splątane. Innymi słowy, muszą dzielić rodzaj kwantowego połączenia, które powstaje między dwiema (lub większą liczbą) cząstek, tak że stanu jednej nie można zdefiniować niezależnie od drugiej(-ych).

Ponieważ te symulacje podróży w czasie opierają się na mechanice kwantowej, umożliwiają badaczom zadawanie znaczących pytań na temat natury i ewentualnych zalet systemów kwantowych. W nowej pracy Arvidsson-Shukur, McConnell i Yunger Halpern właśnie to robią, badając, jakie korzyści mogą mieć symulacje podróży w czasie wstecz dla metrologia kwantowa – dziedzina fizyki wykorzystująca mechanikę kwantową do wykonywania bardzo precyzyjnych pomiarów.

Typowy problem metrologii kwantowej dotyczy oszacowania nieznanego parametru systemu lub procesu za pomocą sond kwantowo-mechanicznych. Gdy sondy zostaną przygotowane i przystosowane do interakcji z systemem, sposób transformacji stanu sond będzie kodował informację o nieznanym parametrze. Celem jest poznanie jak największej ilości informacji na sondę.

Pomocny w tym może być pomiar postselektywny. W tym procesie eksperymentator dokonuje pomiaru, a następnie, w zależności od wyniku, decyduje o włączeniu lub wykluczeniu pewnych wyników eksperymentu z analizy. Koncentruje to zebrane informacje na każdą sondę.

Wcześniej Arvidsson-Shukur, Yunger Halpern i ich współpracownicy wykazać że w systemie kwantowym wybór optymalnego stanu sondy wejściowej może umożliwić eksperymentatorowi uzyskanie większej ilości informacji na sondę, niż jest to możliwe klasycznie. Jednak zazwyczaj eksperymentator dowiaduje się, który stan wejściowy byłby optymalny dopiero po wystąpieniu interakcji. W scenariuszu bez podróży w czasie nie jest to dobre rozwiązanie.

Zaleta symulowanych podróży w czasie

Jeśli jednak eksperymentator teleportuje optymalny stan wejściowy do tyłu w czasie poprzez manipulację splątaniem, cała trójka pokazuje, że może to zapewnić nowe korzyści operacyjne. W swojej propozycji eksperymentator przygotowuje parę maksymalnie splątanych bitów kwantowych, czyli kubitów, zwanych A i C, oraz dodatkowy kubit jako sondę. Celem jest zmierzenie siły nieznanej interakcji za pomocą sondy. Początkowo eksperymentator nie jest świadomy optymalnego stanu wejściowego dla A. W pierwszym kroku sonda i kubit A wchodzą w interakcję. Informacja o nieznanym parametrze interakcji jest kodowana w stanie sondy. Jednakże na etapie pośrednim eksperymentator mierzy stan kubitu A. Pomiar ten ujawnia informację o nieznanym jeszcze stanie optymalnym.

Następnie eksperymentator wykorzystuje te informacje do przygotowania kubitu pomocniczego D w tym optymalnym stanie. Następnie mierzą wspólny stan kubitów C i D. Jeśli ten wspólny stan nie odpowiada początkowemu wspólnemu stanowi A i C, pomiar jest odrzucany z analizy. To skutecznie identyfikuje przypadki, w których optymalnie przygotowany stan D teleportuje się do pierwotnego stanu kubitu A. Teleportacja oznacza, że ​​gdy eksperymentator mierzy sondę, rejestruje optymalny przyrost informacji, mimo że początkowo nie przygotował sondy w optymalnym stanie .

Podczas eksperymentu eksperymentator odrzuciłby wiele niepasujących pomiarów. To może wydawać się kosztowne. Jednakże pomiary przeprowadzane przez eksperymentatora – te, w przypadku których teleportacja zakończyła się sukcesem – zapewniają duży przyrost informacji na sondę. Ogólnie rzecz biorąc, informacje uzyskane z kilku optymalnych sond przewyższają straty po zsumowaniu w wielu próbach.

Nadal dyskutuje się, czy podróże w czasie są fizycznie możliwe, czy nie. Eksperymentatorzy mogą jednak wykorzystywać mechanikę kwantową i symulować podróże w czasie w laboratorium, aby przeprowadzać bardziej precyzyjne pomiary. Jak Arvidsson-Shukur, McConnell i Yunger Halpern podsumowują w swoim artykule: „Chociaż symulacje [podróży w czasie] nie pozwalają cofnąć się i zmienić przeszłości, pozwalają jednak stworzyć lepsze jutro, naprawiając wczorajsze problemy już dziś”.

Znak czasu:

Więcej z Świat Fizyki